บทที่ 15 ไฟฟ้าและแม่เหล็ก
มนุษย์รู้จักใช้ประโยชน์ของแม่เหล็กมาเป็นเวลานานกว่าสองพันปี ตั้งแต่ใช้ทำเป็นเข็มทิศ เพื่อบอกทิศให้นักสำรวจและนักเดินทางในอดีตจนถึงปัจจุบัน แต่กระแสไฟฟ้า นักวิทยาศาสตร์เริ่มศึกษาเมื่อประมาณสามร้อยปีมานี้เอง และเมื่อประมาณ 180 ปีก่อนหน้านี้ นักวิทยาศาสตร์ก็ได้พบความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก
แม่เหล็ก
ประมาณ 2,000 ปีมาแล้ว ชาวกรีกที่อาศัยในเมืองแมกนีเซียได้พบว่า แร่ชนิดหนึ่งสามารถดูดเหล็กได้ จึงเรียกแร่นี้ว่า แมกนีไทต์ (megnetite) และเรียกวัตถุที่ดูดเหล็กได้ว่า แม่เหล็ก (magnet) ส่วนวัตถุที่แม่เหล็กออกแรงกระทำ เรียกว่า สารแม่เหล็ก (magnetic substance)
ถ้านำแท่งแม่เหล็กไปดูดผงเหล็กจะพบว่า ปลายแท่งแม่เหล็กมีผงเหล็กหนาแน่นกว่าบริเวณอื่น จึงเรียกบริเวณนี้ว่า ขั้วแม่เหล็ก (magnetic pole) หากให้แท่งแม่เหล็กหมุนได้อย่างอิสระในแนวราบ แท่งแม่เหล็กจะวางตัวในแนวเหนือ-ใต้ เสมอ ดังรูป ขั้วที่ชี้ไปทางทิศเหนือ เรียก ขั้วเหนือ (north pole) ขั้วที่ชี้ไปทิศใต้เรียกว่า ขั้วใต้(south pole) ใช้สัญลักษณ์ N แทนขั้วเหนือ และ S แทนขั้วใต้ หรือใช้สีสองสีทาขั้วทั้งสองข้าง เพื่อให้เห็นว่า ขั้วแตกต่างกัน
แม่เหล็กประมาณ 2,000 ปีมาแล้ว ชาวกรีกที่อาศัยในเมืองแมกนีเซียได้พบว่า แร่ชนิดหนึ่งสามารถดูดเหล็กได้ จึงเรียกแร่นี้ว่า แมกนีไทต์ (megnetite) และเรียกวัตถุที่ดูดเหล็กได้ว่า แม่เหล็ก (magnet) ส่วนวัตถุที่แม่เหล็กออกแรงกระทำ เรียกว่า สารแม่เหล็ก (magnetic substance)
ถ้านำแท่งแม่เหล็กไปดูดผงเหล็กจะพบว่า ปลายแท่งแม่เหล็กมีผงเหล็กหนาแน่นกว่าบริเวณอื่น จึงเรียกบริเวณนี้ว่า ขั้วแม่เหล็ก (magnetic pole) หากให้แท่งแม่เหล็กหมุนได้อย่างอิสระในแนวราบ แท่งแม่เหล็กจะวางตัวในแนวเหนือ-ใต้ เสมอ ดังรูป ขั้วที่ชี้ไปทางทิศเหนือ เรียก ขั้วเหนือ (north pole) ขั้วที่ชี้ไปทิศใต้เรียกว่า ขั้วใต้(south pole) ใช้สัญลักษณ์ N แทนขั้วเหนือ และ S แทนขั้วใต้ หรือใช้สีสองสีทาขั้วทั้งสองข้าง เพื่อให้เห็นว่า ขั้วแตกต่างกัน
|
|
เมื่อนำขั้วแม่เหล็กสองแท่งเข้าใกล้กัน ขั้วชนิดเดียวกันจะผลักกัน และขั้วต่างกันจะดูดกัน แต่ขั้วเหนือและขั้วใต้จะดูดสารแม่เหล็ก ในกรณีที่ตัดแท่งแม่เหล็กแท่งหนึ่งเป็นสองแท่ง จะเกิดขั้วแม่เหล็กต่างชนิดตรงปลายที่หักออก ทำให้แต่ละแท่งเป็นแท่งแม่เหล็กแท่งใหม่ ดังรูป
 |
ก. สนามแม่เหล็ก
 |
เมื่อนำเข็มทิศหรือสารแม่เหล็ก เช่น เหล็ก นิกเกิล และโคบอลต์ไปวางใกล้แม่เหล็ก จะมีแรงกระทำต่อสารแม่เหล็กและปลายเข็มทิศให้เบนไป เราเรียกบริเวณที่มีแรงกระทำต่อสารแม่เหล็กและเข็มทิศว่า สนามแม่เหล็ก (magnetic field) ซึ่งแสดงให้เห็นได้โดยใช้ผงเหล็กโรยบนกระดาษที่วางบนแท่งแม่เหล็ก จะเห็นผงเหล็กเรียงตัวเป็นแนว เรียกว่า เส้นสนามแม่เหล็ก (magnetic field lines)
เส้นสนามแม่เหล็กในรูปข้างต้นแทนสนามแม่เหล็กในสองมิติ แต่ในธรรมชาติ สนามแม่เหล็กของแท่งแม่เหล็กเป็นสามมิติ
เมื่อวางเข็มทิศที่ตำแหน่งต่างๆ รอบแท่งแม่เหล็กจะได้แนวการวางตัวของเข็มทิศอยู่ในแนวของเส้นสนามแม่เหล็กเช่นกัน เมื่อกำหนดให้เข็มทิศของเส้นสนามแม่เหล็กไปทางเดียวกับทิศที่ขั้วเหนือของเข็มทิศชี้ไป จะได้ว่า เส้นสนามแม่เหล็กมีขั้วจากเหนือไปยังขั้วใต้ของแท่งแม่เหล็ก
จากการนำแท่งแม่เหล็กสองแท่งวางใกล้กันในลักษณะต่างๆ ดังรูป จะเห็นได้ว่า บางบริเวณมีเส้นสนามแม่เหล็กหนาแน่น แสดงว่า สนามแม่เหล็กบริเวณนี้มีค่าน้อยมากและบางบริเวณไม่มีเส้นสนามแม่เหล็กผ่าน แสดงว่าไม่มีสนามแม่เหล็กบริเวณนั้น เรียกตำแหน่งที่สนามแม่เหล็กเป็นศูนย์ว่า จุดสะเทิน (neutral point)
เส้นสนามแม่เหล็กในรูปข้างต้นแทนสนามแม่เหล็กในสองมิติ แต่ในธรรมชาติ สนามแม่เหล็กของแท่งแม่เหล็กเป็นสามมิติ
เมื่อวางเข็มทิศที่ตำแหน่งต่างๆ รอบแท่งแม่เหล็กจะได้แนวการวางตัวของเข็มทิศอยู่ในแนวของเส้นสนามแม่เหล็กเช่นกัน เมื่อกำหนดให้เข็มทิศของเส้นสนามแม่เหล็กไปทางเดียวกับทิศที่ขั้วเหนือของเข็มทิศชี้ไป จะได้ว่า เส้นสนามแม่เหล็กมีขั้วจากเหนือไปยังขั้วใต้ของแท่งแม่เหล็ก
จากการนำแท่งแม่เหล็กสองแท่งวางใกล้กันในลักษณะต่างๆ ดังรูป จะเห็นได้ว่า บางบริเวณมีเส้นสนามแม่เหล็กหนาแน่น แสดงว่า สนามแม่เหล็กบริเวณนี้มีค่าน้อยมากและบางบริเวณไม่มีเส้นสนามแม่เหล็กผ่าน แสดงว่าไม่มีสนามแม่เหล็กบริเวณนั้น เรียกตำแหน่งที่สนามแม่เหล็กเป็นศูนย์ว่า จุดสะเทิน (neutral point)
 |
 |
ข. สนามแม่เหล็กโลก
การวางตัวของแท่งแม่เหล็กโลก
เราทราบแล้วว่า เข็มทิศซึ่งเป็นแม่เหล็กขนาดเล็กจะวางตัวอยู่ในแนวเหนือใต้เสมอ แสดงว่าโลกมีสนามแม่เหล็ก เรียกว่า สนามแม่เหล็กโลก (earth's magnetic field) เส้นสนามแม่เหล็กโลกมีทิศพุ่งออกจากบริเวณขั้วใต้ทางภูมิศาสตร์ไปยังขั้วเหนือทางภูมิศาสตร์ ดังนั้นจึงเสมือนโลกมีแท่งแม่เหล็กขนาดใหญ่ฝังอยู่ภายใน โดยขั้วเหนือของแม่เหล็กโลกอยู่ใกล้ขั้วใต้ทางภูมิศาสตร์ และขั้วใต้ของแม่เหล็กโลกอยู่ใกล้ขั้วเหนือทางภูมิศาสตร์
มนุษย์ใช้ประโยชน์จากสนามแม่เหล็กโลก หลังจากได้พบว่า เมื่อวางแม่เหล็กแท่งเล็กๆ บนแกน ให้หมุนในแนวราบได้อย่างอิสระ แม่เหล็กจะวางตัวในแนวเหนือ-ใต้เสมอ จึงนำสมบัตินี้มาสร้าง เข็มทิศ (compass) เพื่อใช้บอกทิศทาง นอกจากนี้สนามแม่เหล็กโลกยังมีความสำคัญต่อชีวิตบนโลกและทำให้เกิดปรากฏการณ์ธรรมชาติที่สวยงามอีกด้วย
สนามแม่เหล็กโลกทำหน้าที่ป้องกันชีวิตให้ปลอดอันตรายจาก ลมสุริยะ (solar wind) ซึ่งเป็นกระแสอนุภาคที่มีประจุ (ส่วนใหญ่เป็นโปรตอน อิเล็กตรอนและนิวเคลียสของฮีเลียม) ที่พุ่งออกมาจากดวงอาทิตย์ เพื่อไม่ให้อนุภาคเหล่านั้นผ่านชั้นบรรยากาศของโลก
มนุษย์ใช้ประโยชน์จากสนามแม่เหล็กโลก หลังจากได้พบว่า เมื่อวางแม่เหล็กแท่งเล็กๆ บนแกน ให้หมุนในแนวราบได้อย่างอิสระ แม่เหล็กจะวางตัวในแนวเหนือ-ใต้เสมอ จึงนำสมบัตินี้มาสร้าง เข็มทิศ (compass) เพื่อใช้บอกทิศทาง นอกจากนี้สนามแม่เหล็กโลกยังมีความสำคัญต่อชีวิตบนโลกและทำให้เกิดปรากฏการณ์ธรรมชาติที่สวยงามอีกด้วย
สนามแม่เหล็กโลกทำหน้าที่ป้องกันชีวิตให้ปลอดอันตรายจาก ลมสุริยะ (solar wind) ซึ่งเป็นกระแสอนุภาคที่มีประจุ (ส่วนใหญ่เป็นโปรตอน อิเล็กตรอนและนิวเคลียสของฮีเลียม) ที่พุ่งออกมาจากดวงอาทิตย์ เพื่อไม่ให้อนุภาคเหล่านั้นผ่านชั้นบรรยากาศของโลก
สนามแม่เหล็กโลกขณะเกิดลมสุริยะ
ลมสุริยะที่มาปะทะสนามแม่เหล็กโลกจะถูกเบี่ยงเบนอ้อมโลก อัตรากิริยาระหว่างสนามแม่เหล็กโลกกับลมสุริยะทำให้สนามแม่เหล็กโลกด้านตรงข้ามดวงอาทิตย์ลู่ไปคล้ายหางของดาวหาง ซึ่งเรียกว่า แมกนีโตสเฟียร์ (magnetosphere)
แต่ก็มีอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าจากลมสุริยะบางส่วนถูกสนามแม่เหล็กโลกผลักให้ผ่านเข้าบรรยากาศบริเวณขั้วแม่เหล็กโลก เมื่ออนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเหล่านี้ชนกับโมเลกุลของออกซิเจนและไนโตรเจน ในบรรยากาศที่ระดับ 100-300 กิโลเมตร โมเลกุลของออกซิเจนและไนโตรเจน ก็จะปล่อยแสงในช่วงที่ตามองเห็นออกมา เรียกว่า ออโรรา (aurora)
แต่ก็มีอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าจากลมสุริยะบางส่วนถูกสนามแม่เหล็กโลกผลักให้ผ่านเข้าบรรยากาศบริเวณขั้วแม่เหล็กโลก เมื่ออนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเหล่านี้ชนกับโมเลกุลของออกซิเจนและไนโตรเจน ในบรรยากาศที่ระดับ 100-300 กิโลเมตร โมเลกุลของออกซิเจนและไนโตรเจน ก็จะปล่อยแสงในช่วงที่ตามองเห็นออกมา เรียกว่า ออโรรา (aurora)
 |
ออโรรามักเกิดในท้องฟ้าตอนกลางคืนหรือพลบค่ำ บริเวณใกล้ขั้วแม่เหล็กโลก มีลักษณะคล้ายผ้าม่านที่เป็นริ้วสะบัดไปมา มักมีสีเขียวหรือสีแดง ออโรราที่เกิดบริเวณขั้วโลกเหนือ เรียกว่า แสงเหนือ (northrn light หรือ aurora borealis) ออโรราที่เกิดบริเวณขั้วโลกใต้ เรียกว่า แสงใต้ (southern light หรือ aurora australis)
นักวิทยาศาสตร์พบว่า สนามแม่เหล็กโลกยังมีอิทธิพลต่อพฤติกรรมอพยพของนกและเต่าทะเล
ค. ฟลักซ์แม่เหล็ก
ฟลักซ์แม่เหล็ก
การศึกษาสนามแม่เหล็กของแท่งแม่เหล็ก พบว่า เส้นสนามแม่เหล็กแผ่ออกจากขั้วเหนือบริเวณสามมิติ บริเวณใกล้ขั้วแม่เหล็กทั้งสองจะมีเส้นสนามแม่เหล็กหนาแน่นยิ่งกว่าบริเวณอื่นๆ ถ้าพิจารณาพื้นที่บริเวณสนามแม่เหล็ก เรียกสนามแม่เหล็กที่ผ่านพื้นที่นี้ว่า ฟลักซ์แม่เหล็ก (magnetic flux) พบว่า บริเวณใกล้ขั้วแม่เหล็กจะมีฟลักซ์แม่เหล็กหนาแน่น และฟลักซ์แม่เหล็กจะหนาแน่นน้อยลงเมื่อบริเวณอยู่ห่างขั้วแม่เหล็ก
อัตราส่วนระหว่างฟลักซ์แม่เหล็กต่อพื้นที่ตั้งฉากกับสนามหนึ่งตารางหน่วย เรียกว่า ขนาดของสนามแม่เหล็ก หรือ ความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก (magnetic flux density)
ถ้าให้ ø เป็นขนาดฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านพื้นที่ มีหน่วยเวเบอร์ (weber หรือ Wb)
A เป็นพื้นที่ที่ตั้งฉากกับฟลักซ์แม่เหล็ก หรือขนาดของสนามแม่เหล็ก มีหน่วยตารางเมตร
B เป็นความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก หรือขนาดของสนามแม่เหล็ก
จะได้ความสัมพันธ์ดังนี้
------------------ สมการที่ (14)
สนามแม่เหล็กมีหน่วย เวเบอร์ต่อตารางเมตร หรือเทสลา (tesla หรือ T) ระดับของสนามแม่เหล็กจากแหล่งกำเนิดต่างๆ แสดงดังในตาราง
อัตราส่วนระหว่างฟลักซ์แม่เหล็กต่อพื้นที่ตั้งฉากกับสนามหนึ่งตารางหน่วย เรียกว่า ขนาดของสนามแม่เหล็ก หรือ ความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก (magnetic flux density)
ถ้าให้ ø เป็นขนาดฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านพื้นที่ มีหน่วยเวเบอร์ (weber หรือ Wb)
A เป็นพื้นที่ที่ตั้งฉากกับฟลักซ์แม่เหล็ก หรือขนาดของสนามแม่เหล็ก มีหน่วยตารางเมตร
B เป็นความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็ก หรือขนาดของสนามแม่เหล็ก
จะได้ความสัมพันธ์ดังนี้
------------------ สมการที่ (14)สนามแม่เหล็กมีหน่วย เวเบอร์ต่อตารางเมตร หรือเทสลา (tesla หรือ T) ระดับของสนามแม่เหล็กจากแหล่งกำเนิดต่างๆ แสดงดังในตาราง
แหล่ง
|
ขนาดของสนามแม่เหล็ก (T)
|
แม่เหล็กตัวนำยวดยิ่ง
|
30
|
แม่เหล็กไฟฟ้าในงานวิจัย
|
2
|
แท่งแม่เหล็ก
|
10-2
|
แม่เหล็กโลก
|
0.5 x 10-4
|
 |
ตัวอย่างที่ 10 เมื่อฟลักซ์แม่เหล็กขนาด 2 x 10-4 เวเบอร์ พุ่งผ่านพื้นที่ 10 ตารางเซนติเมตร ซึ่งวางตั้งฉากกับฟลักซ์แม่เหล็ก จงหาความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็ก
วิธีทำ จาก
ในที่นี้ ø = ฟลักซ์แม่เหล็ก = 2 x 10-4 Wb
A = พื้นที่ = 10 x 10-4 m2
คำตอบ ความหนาแน่นฟลักศ์แม่เหล็กเท่ากับ 0.2 เทสลา
ง. การเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าในสนามแม่เหล็ก
เมื่ออนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าอยู่ในสนามไฟฟ้าจะมีแรงเนื่องจากสนามไฟฟ้ากระทำต่ออนุภาคนั้น ถ้าให้อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า q เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว
ในสนามแม่เหล็ก 
จะมีแรงกระทำต่ออนุภาคนั้นหรือไม่ ศึกษาจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในสนามแม่เหล็ก
จากกิจกรรม เมื่ออิเล็กตรอนซึ่งเป็นอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าลบ เคลื่อนที่ในทิศตั้งฉากกับสนามแม่เหล็กที่มีทิศพุ่งเข้าและตั้งฉากกับกระดาษ แนวการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจะเบนโค้งลง แสดงว่ามีแรงกระทำต่ออิเล็กตรอนในทิศลง เมื่อกลับทิศของสนามแม่เหล็กแนวการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจะเบนโค้ง แสดงว่า มีแรงกระทำต่ออิเล็กตรอนในทิศขึ้นดังรูป แรงเนื่องจากสนามแม่เหล็กกระทำต่ออนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า เรียกว่า แรงแม่เหล็ก (magnetic force)
วิธีทำ จาก
ในที่นี้ ø = ฟลักซ์แม่เหล็ก = 2 x 10-4 Wb
A = พื้นที่ = 10 x 10-4 m2
คำตอบ ความหนาแน่นฟลักศ์แม่เหล็กเท่ากับ 0.2 เทสลา
ง. การเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าในสนามแม่เหล็ก
เมื่ออนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าอยู่ในสนามไฟฟ้าจะมีแรงเนื่องจากสนามไฟฟ้ากระทำต่ออนุภาคนั้น ถ้าให้อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า q เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว
ในสนามแม่เหล็ก จะมีแรงกระทำต่ออนุภาคนั้นหรือไม่ ศึกษาจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนในสนามแม่เหล็กจากกิจกรรม เมื่ออิเล็กตรอนซึ่งเป็นอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าลบ เคลื่อนที่ในทิศตั้งฉากกับสนามแม่เหล็กที่มีทิศพุ่งเข้าและตั้งฉากกับกระดาษ แนวการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจะเบนโค้งลง แสดงว่ามีแรงกระทำต่ออิเล็กตรอนในทิศลง เมื่อกลับทิศของสนามแม่เหล็กแนวการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนจะเบนโค้ง แสดงว่า มีแรงกระทำต่ออิเล็กตรอนในทิศขึ้นดังรูป แรงเนื่องจากสนามแม่เหล็กกระทำต่ออนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า เรียกว่า แรงแม่เหล็ก (magnetic force)
 |
ในการหาทิศของแรงที่กระทำต่ออิเล็กตรอนซึ่งเป็นอนุภาคประจุไฟฟ้าลบ ใช้มือขวาโดยหันทั้งสี่นิ้วไปทางทิศของความเร็ว วนนิ้วทั้งสี่ไปหาสนามแม่เหล็ก นิ้วหัวแม่มือจะชี้ไปทางทิศตรงข้ามกับทิศแรง ดังรูป ก. สำหรับการหาทิศของแรงกระทำต่ออนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าบวก ยังคงใช้มือขวา นิ้วหัวแม่มือจะชี้ไปทางทิศของแรง ดังรูป ข.
 |
เนื่องจากปริมาณทั้งสามคือ ความเร็ว สนามแม่เหล็กและแรงมีทิศตั้งฉากกันและกัน และ q เป็นประจุไฟฟ้าของอนุภาค พบว่า ปริมาณเหล่านี้มีความสัมพันธ์กัน โดยหาขนาดของแรงได้ดังนี้
F = qvB ------------------ สมการที่ (15)
ในกรณีอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า q เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว
สนามแม่เหล็ก 
แรง 
ที่กระทำต่ออนุภาค จะหาได้จากสมการ = q( x ) หรือขนาดของแรง F = qvB sin θเมื่อวิเคราะห์สมการที่ 16 จะพบว่า อนุภาคเคลื่อนที่เป็นแนวขนานกับสนามแม่เหล็ก (θ = 0o หรือ 180o เพราะ sin θ = 0) ดังนั้นแรงที่กระทำจะเป็นศูนย์ แต่ถ้าอนุภาคนั้นหยุดนิ่ง (
= 0) ก็จะไม่มีแรงกระทำต่ออนุภาคเช่นกัน แต่เมื่อความเร็วของอนุภาคตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก (θ = 90o sin θ = 1) แรงที่กระทำต่ออนุภาคมากที่สุดตัวอย่างที่ 11 อิเล็กตรอนตัวหนึ่งเคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงตัว 1.6 x 107 เมตรต่อวินาที ในทิศจากซ้ายไปขวา เข้าไปในสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอขนาด 9.1 x 10-3เทสลา และสนามมีทิศตั้งฉากเข้าหากระดาษ จงหาขนาดและทิศของแรงแม่เหล็กที่กระทำต่ออิเล็กตรอน
 |
วิธีทำ อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ในแนวตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก ขนาดของแรงแม่เหล็กที่กระทำต่ออิเล็กตรอน หาได้จากสมการ
F = qvB
ในที่นี้ q = 1.6 x 10-19 C
v = 1.6 x 107 m/s
B = 9.1 x 10-3 T
แทนค่าจะได้ F = 1.6 x 10-19 C x 1.6 x 107 m/s x 9.1 x 10-3 T = 2.3 x 10-14 N
หาทิศของแรงโดยใช้มือขวา จะได้ดังรูป
คำตอบ แรงที่กระทำต่ออิเล็กตรอนเท่ากับ 2.3 x 10-14 นิวตัน มีทิศลง
กระแสไฟฟ้าทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก
ในปี พ.ศ.2363 ฮานส์ เออร์สเตด พบว่า เมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านลวดตัวนำจะเกิดสนามแม่เหล็กรอบลวดตัวนำนั้น สำหรับลวดตัวนำที่มีรูปต่างๆ กัน สนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นมีลักษณะเหมือนหรือแตกต่างจากสนามแม่เหล็กของทางแม่เหล็กอย่างไร
อ่านเพิ่มเติม ประวัติ : Hans Christian Oersted
ก. สนามแม่เหล็กของลวดตัวนำตรง
เมื่อให้กระแสไฟฟ้าผ่านลวดตัวนำตรง จะเกิดสนามแม่เหล็กรอบลวดตัวนำ ซึ่งทราบได้จากการดูเข็มทิศเล็กๆ ที่วางรอบลวดตัวนำ มีการเรียงตัวเป็นวง ทิศของสนามแม่เหล็กหาได้จาก กฎมือขวา (right hand rule) โดยกำมือขวารอบลวดตัวนำตรง ให้หัวแม่มือชี้ไปทางทิศของกระแสไฟฟ้า ทิศทางการวนของนิ้วทั้งสี่คือ ทิศของสนามแม่เหล็ก เมื่อกลับทิศของกระแสไฟฟ้า ทิศของสนามแม่เหล็กจะเปลี่ยนไปด้วย ความสัมพันธ์นี้ศึกษาได้จากกิจกรรมสนามาแม่เหล็กที่เกิดจากกระแสไฟฟ้าผ่านตัวนำ ตอนที่ 1
F = qvB
ในที่นี้ q = 1.6 x 10-19 C
v = 1.6 x 107 m/s
B = 9.1 x 10-3 T
แทนค่าจะได้ F = 1.6 x 10-19 C x 1.6 x 107 m/s x 9.1 x 10-3 T = 2.3 x 10-14 N
หาทิศของแรงโดยใช้มือขวา จะได้ดังรูป
คำตอบ แรงที่กระทำต่ออิเล็กตรอนเท่ากับ 2.3 x 10-14 นิวตัน มีทิศลง
กระแสไฟฟ้าทำให้เกิดสนามแม่เหล็กในปี พ.ศ.2363 ฮานส์ เออร์สเตด พบว่า เมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านลวดตัวนำจะเกิดสนามแม่เหล็กรอบลวดตัวนำนั้น สำหรับลวดตัวนำที่มีรูปต่างๆ กัน สนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นมีลักษณะเหมือนหรือแตกต่างจากสนามแม่เหล็กของทางแม่เหล็กอย่างไร
อ่านเพิ่มเติม ประวัติ : Hans Christian Oersted
ก. สนามแม่เหล็กของลวดตัวนำตรง
เมื่อให้กระแสไฟฟ้าผ่านลวดตัวนำตรง จะเกิดสนามแม่เหล็กรอบลวดตัวนำ ซึ่งทราบได้จากการดูเข็มทิศเล็กๆ ที่วางรอบลวดตัวนำ มีการเรียงตัวเป็นวง ทิศของสนามแม่เหล็กหาได้จาก กฎมือขวา (right hand rule) โดยกำมือขวารอบลวดตัวนำตรง ให้หัวแม่มือชี้ไปทางทิศของกระแสไฟฟ้า ทิศทางการวนของนิ้วทั้งสี่คือ ทิศของสนามแม่เหล็ก เมื่อกลับทิศของกระแสไฟฟ้า ทิศของสนามแม่เหล็กจะเปลี่ยนไปด้วย ความสัมพันธ์นี้ศึกษาได้จากกิจกรรมสนามาแม่เหล็กที่เกิดจากกระแสไฟฟ้าผ่านตัวนำ ตอนที่ 1
 |
ถ้าผ่านกระแสไฟฟ้าไปในลวดตัวนำที่ถูกดัดเป็นวงกลม จะเกิดสนามแม่เหล็กรอบๆ ลวดตัวนำนั้น การหาทิศของสนามแม่เหล็กยังคงใช้กฎมือขวา โดยการกำลวดตัวนำแต่ละส่วนจะได้ทิศของสนามแม่เหล็กของลวดตัวนำ ดังรูป ก. นอกจากนี้ ยังอาจใช้วิธีกำมือขวาวางบนระนาบของลวดตัวนำ โดยให้นิ้วทั้งสี่วนตามทิศของกระแสไฟฟ้า นิ้วหัวแม่มือจะชี้ไปตามทิศของสนามแม่เหล็ก ดังรูป ข. จะเห็นว่า ทิศของสนามแม่เหล็กของลวดตัวนำวงกลมมีลักษณะคล้ายกับสนามแม่เหล็กของแท่งแม่เหล็ก ซึ่งศึกษาได้จากกิจกรรมตอนที่ 2
 |
ข. สนามแม่เหล็กของโซเลนอยด์
สนามแม่เหล็กของโซลินอยด์
เมื่อนำลวดตัวนำที่มีฉนวนหุ้มมาขดเป็นวงกลมหลายๆ วง เรียงซ้อนกันเป็นรูปทรงกระบอก ขดลวดที่ได้นี้ เรียกว่า โซเลนอยด์ (solenoid) เมื่อให้กระแสไฟฟ้าผ่านโซเลนอยด์ จะมีสนามแม่เหล็กเกิดขึ้น การหาทิศของสนามแม่เหล็กใช้วิธีการกำมือขวาแบบเดียวกับการหาทิศของสนามแม่เหล็กของลวดตัวนำวงกลม ปลายของขดลวดด้านที่สนามแม่เหล็กพุ่มออกมาจะเป็นขั้วเหนือ และอีกปลายหนึ่งซึ่งสนามแม่เหล็กพุ่มเข้าจะเป็นขั้วใต้ ศึกษาได้จากกิจกรรม ตอนที่ 3
สนามแม่เหล็กที่เกิดจากโซเลนอยด์มีค่าสูงสุดบริเวณแกนกลางของโซเลนอยด์และขนาดของสนามแม่เหล็กนี้จะมีค่าเพิ่มขึ้นเมื่อกระแสไฟฟ้าเพิ่ม หรือจำนวนรอบของขดลวดเพิ่ม
สนามแม่เหล็กที่เกิดจากโซเลนอยด์มีค่าสูงสุดบริเวณแกนกลางของโซเลนอยด์และขนาดของสนามแม่เหล็กนี้จะมีค่าเพิ่มขึ้นเมื่อกระแสไฟฟ้าเพิ่ม หรือจำนวนรอบของขดลวดเพิ่ม
แม่เหล็กไฟฟ้าอย่างง่าย
ถ้าใส่แท่งเหล็กอ่อนไว้ที่แกนกลางของโซเลนอยด์ เมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านโซเลนอยด์ แท่งเหล็กอ่อนจะมีสมบัติเป็นแม่เหล็ก แม่เหล็กที่เกิดจากวิธีนี้เรียกว่า แม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnet) สนามแม่เหล็กของแม่เหล็กจะเพิ่ม เมื่อกระแสไฟฟ้าเพิ่มและจำนวนรอบต่อความยาวของขดลวด แต่เมื่อไม่มีกระแสไฟฟ้า แท่งแม่เหล็กอ่อนจะหมดสภาพแม่เหล็กทันที หลักการของแม่เหล็กไฟฟ้านี้ถูกนำไปประยุกต์สร้างอุปกรณ์ไฟฟ้าหลายอย่าง ดังรูป
การนำหลักการแม่เหล็กไฟฟ้า ไปใช้ประโยชน์
ค. สนามแม่เหล็กของทอรอยด์
เมื่อนำลวดตัวนำที่มีฉนวนหุ้มขดเป็นวงกลมหลายๆ รอบเรียงกันเป็นรูปทรงกระบอกแล้วขดเป็นวงกลม ขดลวดที่ได้นี้เรียกว่า ทอรอยด์ (toroid) เมื่อให้กระแสไฟฟ้าผ่าน จะเกิดสนามแม่เหล็กภายในทอรอยด์ ซึ่งหาทิศของสนามได้ด้วยการกำมือขวารอบแกนของทอรอยด์ให้นิ้วทั้งสี่วนตามทิศของกระแสไฟฟ้า นิ้วหัวแม่มือจะชี้ทิศของสนามแม่เหล็ก สนามแม่เหล็กภายในทอรอยด์มีค่าไม่สม่ำเสมอ โดยสนามแม่เหล็กที่ขอบด้านในมีค่าสูงกกว่าสนามแม่เหล็กที่ขอบด้านนอก
เมื่อนำลวดตัวนำที่มีฉนวนหุ้มขดเป็นวงกลมหลายๆ รอบเรียงกันเป็นรูปทรงกระบอกแล้วขดเป็นวงกลม ขดลวดที่ได้นี้เรียกว่า ทอรอยด์ (toroid) เมื่อให้กระแสไฟฟ้าผ่าน จะเกิดสนามแม่เหล็กภายในทอรอยด์ ซึ่งหาทิศของสนามได้ด้วยการกำมือขวารอบแกนของทอรอยด์ให้นิ้วทั้งสี่วนตามทิศของกระแสไฟฟ้า นิ้วหัวแม่มือจะชี้ทิศของสนามแม่เหล็ก สนามแม่เหล็กภายในทอรอยด์มีค่าไม่สม่ำเสมอ โดยสนามแม่เหล็กที่ขอบด้านในมีค่าสูงกกว่าสนามแม่เหล็กที่ขอบด้านนอก
 |
ปัจจุบันมีการนำหลักการของทอรอยด์ ไปสร้างสนามแม่เหล็กในห้องปฏิบัติการวิทยาศาสตร์ชั้นสูง เช่น เครื่องใช้ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชัน (fusion nuclear reactor) โดยสนามแม่เหล็กที่ไม่สม่ำเสมอภายในทอรอยด์ ทำให้พลาสมาซึ่งเป็นอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าที่ถูกกักเก็บอยู่ภายในทอรอยด์มีการเคลื่อนที่แบบเกลียว การถูกสนามแม่เหล็กความเข้มสูงกระทำอนุภาคจะมีความเร็วสูงจนมีพลังงานสูงพอที่จะเกิดปฏิกิริยาฟิวชันได้ เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชันที่ใช้หลักการนี้ เรียกว่า โทคามัค (tokamak) คาดว่า เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชันจะเป็นแหล่งผลิตพลังงานไฟฟ้าที่สำคัญในอนาคต
แรงกระทำต่อลวดตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าผ่านและอยู่ในสนามแม่เหล็ก
การใช้มือขวาหาทิศของแรงที่กระทำต่อลวดตัวนำ
ที่มีกระแสไฟฟ้าผ่านและอยู่ในสนามแม่เหล็ก
เมื่ออนุภาคมีประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ในสนามแม่เหล็ก จะเกิดแรงกระทำต่ออนุภาคนั้น ถ้าให้กระแสไฟฟ้าผ่านลวดตัวนำที่วางในสนามแม่เหล็ก จะเกิดแรงกระทำต่อขดลวดตัวนำหรือไม่ต้องศึกษาจากกิจกรรม แรงกระทำต่อลวดตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าผ่านและอยู่ในสนามแม่เหล็ก
พบว่า เมื่อลวดตัวนำมีกระแสไฟฟ้าผ่านขณะอยู่ในสนามแม่เหล็ก จะมีแรงกระทำ และเมื่อกลับทิศของสนามแม่เหล็กหรือทิศของกระแสไฟฟ้า พบว่า แรงกระทำจะกลับทิศด้วย แสดงว่า แรงที่กระทำต่อลวดตัวนำมีความสัมพันธ์กับทิศของกระแสไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก ซึ่งวิเคราะห์หาความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณเหล่านี้ได้ดังนี้
เนื่องจากกระแสไฟฟ้าในลวดตัวนำเกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระด้วยความเร็วลอยเลื่อน ดังนั้น เมื่อลวดตัวนำวางตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก จะเกิดแรงกระทำต่ออิเล็กตรอนอิสระเหล่านี้ตามสมการ F = qvB เนื่องจากอิเล็กตรอนอิสระอยู่ภายในลวดตัวนำ ดังนั้น แรงที่เกิดจึงทำให้ลวดตัวนำเคลื่อนที่ในทิศของแรงนั้น
ถ้าประจุไฟฟ้า q เคลื่อนที่ผ่านภาคตัดขวางของตัวนำในเวลา t จากนิยามของกระแสไฟฟ้า เขียนได้ว่า q = It
ในสมการ (17) ℓ เท่ากับความยาวของลวดช่วงที่อยู่ในสนามแม่เหล็ก ทิศของแรงหาได้จากการกำมือขวาให้นิ้วทั้งสี่ชี้ทิศของกระแสไฟฟ้า นิ้วหัวแม่มือจะชี้ทิศของแรง
ตัวอย่างที่ 12 ลวดตัวนำยาว 15 เซนติเมตร มวล 0.04 กิโลกรัม วางตั้งฉากกับสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอ 2 เทสลา ถ้ามีกระแสไฟฟ้า 10 แอมแปร์ ผ่านลวดมีผลให้ลวดเคลื่อนที่ในแนวราบ จงหาความเร่งของลวดตัวนำ (สมมติไม่คิดแรงโน้มถ่วงของโลก)
วิธีทำ หาขนาดของแรงจากสมการ
F = Iℓ B
F = 10 A x 0.15 m x 2 T = 3 N
หาความเร่งของขดลวดตัวนำเนื่องจากแรงกระทำจากกฎการเคลื่อนที่ข้อที่ 2 ของนิวตัน
F = ma
3 N = 0.04 kg x a
a = 75 m/s2
คำตอบ ความเร่งของลวดตัวนำเท่ากับ 75 เมตรต่อวินาที2
แรงระหว่างลวดตัวนำสองเส้นที่ขนานกันและมีกระแสไฟฟ้าผ่าน
เราทราบแล้วว่า เวลาลวดตัวนำมีกระแสไฟฟ้าผ่านจะเกิดสนามแม่เหล็กรอบตัวลวดตัวนำ และลวดตัวนำเส้นนั้น อยู่ในสนามแม่เหล็ก จะเกิดแรงกระทำต่อลวดตัวนำ ถ้าลวดตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าผ่านสองเส้นวางขนานและใกล้กัน จะมีแรงกระทำระหว่างลวดตัวนำทั้งสองหรือไม่
จะพบว่า ถ้ากระแสไฟฟ้าในลวดตัวนำขนานทั้งสองเส้นมีทิศเดียวกัน แรงระหว่างลวดเป็นแรงดูด แต่ถ้ากระแสไฟฟ้าในลวดตัวนำขนานทั้งสองทิศมีทิศตรงกันข้ามแรงระหว่างลวดเป็นแรงผลัก ซึ่งสามารถวิเคราะห์ผลที่เกิดขึ้นได้ดังนี้
พิจารณาลวดตัวนำ ab และ cd ที่วางขนานกัน เมื่อลวด ab มีกระแสไฟฟ้า I1 ผ่านจะมีสนามแม่เหล็ก B1 เกิดขึ้นรอบลวด ab ดังนั้นมีลวด cd จะอยู่ในสนามแม่เหล็กB1 ด้วยเหตุนี้ เมื่อกระแสไฟฟ้า I2 ผ่านลวด cd ในทิศเดียวกับ I1 จะเกิดแรง F1 กระทำต่อลวด cd ในขณะเดียวกัน ลวด ad ก็อยู่ในสนามแม่เหล็ก B2 ที่เกิดจากลวด cd และจะมีแรง F2 กระทำต่อลวด ab ด้วย เพราะ F1 และ F2 มีทิศตรงกันข้าม ดังนั้น แรงระหว่างลวดทั้งสองนี้จึงเป็นแรงดึงดูด
ในทำนองเดียวกัน อาจวิเคราะห์ได้ว่า ถ้ากระแสไฟฟ้าในลวดตัวนำขนานทั้งสองทิศตรงข้ามกัน แรงระหว่างลวดทั้งสองเป็นแรงผลัก
ความรู้เรื่องแรงระหว่างลวดตัวนำสองเส้นที่ขนานกันและมีกระแสไฟฟ้าผ่านถูกนำมาใช้นิยามหน่วยของกระแสไฟฟ้าในระบบเอสไอ โดยกำหนดว่า 1 แอมแปร์ คือ กระแสไฟฟ้าคงตัวในลวดตัวนำตรงทั้งสองเส้นที่ยาวมากและเล็กจนไม่คิดพื้นที่หน้าตัด ซึ่งวางขนานกันและห่างกัน 1 เมตร ในสุญญากาศ แล้วทำให้เกิดแรงระหว่างลวดตัวนำทั้งสองเท่ากับ 2 x 10-7 นิวตันต่อเมตร
แรงกระทำต่อขดลวดที่มีกระแสไฟฟ้าผ่านและอยู่ในสนามแม่เหล็ก
เมื่อลวดตัวนำตรงที่มีกระแสไฟฟ้าผ่านวางในสนามแม่เหล็ก จะเกิดแรงกระทำต่อลวด ถ้าเปลี่ยนลวดตัวนำตรงเป็นขดลวดรูปสี่เหลี่ยมมุมฉาก แรงกระทำที่เกิดขึ้นจะมีผลต่อขดลวดอย่างไร
พิจารณาขดลวดตัวนำรูปสี่เหลี่ยมมุมฉาก PQRS วางในสนามแม่เหล็ก โดยระนาบของขดลวดขนานกับทิศของสนามแม่เหล็ก เมื่อให้กระแสไฟฟ้า I ผ่านขดลวดในทิศ 
จะพบว่า ลวดส่วน QR และ SP มีทิศของกระแสไฟฟ้าขนานกับสนามแม่เหล็กจึงไม่เกิดแรงกระทำต่อลวดสองส่วนนี้ แต่ในลวดส่วน PQ และ RS ทิศของกระแสไฟฟ้าตั้งฉากกับทิศสนามแม่เหล็ก จึงเกิดแรงกระทำต่อลวดสองส่วนนี้ แต่แรงทั้งสองนี้มีขนาดเท่ากัน และทิศตรงข้ามจึงเป็นแรงคู่ควบ และหาโมเมนต์ของแรงคู่ควบได้
พบว่า เมื่อลวดตัวนำมีกระแสไฟฟ้าผ่านขณะอยู่ในสนามแม่เหล็ก จะมีแรงกระทำ และเมื่อกลับทิศของสนามแม่เหล็กหรือทิศของกระแสไฟฟ้า พบว่า แรงกระทำจะกลับทิศด้วย แสดงว่า แรงที่กระทำต่อลวดตัวนำมีความสัมพันธ์กับทิศของกระแสไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก ซึ่งวิเคราะห์หาความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณเหล่านี้ได้ดังนี้
เนื่องจากกระแสไฟฟ้าในลวดตัวนำเกิดจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระด้วยความเร็วลอยเลื่อน ดังนั้น เมื่อลวดตัวนำวางตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก จะเกิดแรงกระทำต่ออิเล็กตรอนอิสระเหล่านี้ตามสมการ F = qvB เนื่องจากอิเล็กตรอนอิสระอยู่ภายในลวดตัวนำ ดังนั้น แรงที่เกิดจึงทำให้ลวดตัวนำเคลื่อนที่ในทิศของแรงนั้น
ถ้าประจุไฟฟ้า q เคลื่อนที่ผ่านภาคตัดขวางของตัวนำในเวลา t จากนิยามของกระแสไฟฟ้า เขียนได้ว่า q = It
ในสมการ (17) ℓ เท่ากับความยาวของลวดช่วงที่อยู่ในสนามแม่เหล็ก ทิศของแรงหาได้จากการกำมือขวาให้นิ้วทั้งสี่ชี้ทิศของกระแสไฟฟ้า นิ้วหัวแม่มือจะชี้ทิศของแรง
ตัวอย่างที่ 12 ลวดตัวนำยาว 15 เซนติเมตร มวล 0.04 กิโลกรัม วางตั้งฉากกับสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอ 2 เทสลา ถ้ามีกระแสไฟฟ้า 10 แอมแปร์ ผ่านลวดมีผลให้ลวดเคลื่อนที่ในแนวราบ จงหาความเร่งของลวดตัวนำ (สมมติไม่คิดแรงโน้มถ่วงของโลก)
วิธีทำ หาขนาดของแรงจากสมการ
F = Iℓ B
F = 10 A x 0.15 m x 2 T = 3 N
หาความเร่งของขดลวดตัวนำเนื่องจากแรงกระทำจากกฎการเคลื่อนที่ข้อที่ 2 ของนิวตัน
F = ma
3 N = 0.04 kg x a
a = 75 m/s2
คำตอบ ความเร่งของลวดตัวนำเท่ากับ 75 เมตรต่อวินาที2
แรงระหว่างลวดตัวนำสองเส้นที่ขนานกันและมีกระแสไฟฟ้าผ่านเราทราบแล้วว่า เวลาลวดตัวนำมีกระแสไฟฟ้าผ่านจะเกิดสนามแม่เหล็กรอบตัวลวดตัวนำ และลวดตัวนำเส้นนั้น อยู่ในสนามแม่เหล็ก จะเกิดแรงกระทำต่อลวดตัวนำ ถ้าลวดตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าผ่านสองเส้นวางขนานและใกล้กัน จะมีแรงกระทำระหว่างลวดตัวนำทั้งสองหรือไม่
จะพบว่า ถ้ากระแสไฟฟ้าในลวดตัวนำขนานทั้งสองเส้นมีทิศเดียวกัน แรงระหว่างลวดเป็นแรงดูด แต่ถ้ากระแสไฟฟ้าในลวดตัวนำขนานทั้งสองทิศมีทิศตรงกันข้ามแรงระหว่างลวดเป็นแรงผลัก ซึ่งสามารถวิเคราะห์ผลที่เกิดขึ้นได้ดังนี้
พิจารณาลวดตัวนำ ab และ cd ที่วางขนานกัน เมื่อลวด ab มีกระแสไฟฟ้า I1 ผ่านจะมีสนามแม่เหล็ก B1 เกิดขึ้นรอบลวด ab ดังนั้นมีลวด cd จะอยู่ในสนามแม่เหล็กB1 ด้วยเหตุนี้ เมื่อกระแสไฟฟ้า I2 ผ่านลวด cd ในทิศเดียวกับ I1 จะเกิดแรง F1 กระทำต่อลวด cd ในขณะเดียวกัน ลวด ad ก็อยู่ในสนามแม่เหล็ก B2 ที่เกิดจากลวด cd และจะมีแรง F2 กระทำต่อลวด ab ด้วย เพราะ F1 และ F2 มีทิศตรงกันข้าม ดังนั้น แรงระหว่างลวดทั้งสองนี้จึงเป็นแรงดึงดูด
ในทำนองเดียวกัน อาจวิเคราะห์ได้ว่า ถ้ากระแสไฟฟ้าในลวดตัวนำขนานทั้งสองทิศตรงข้ามกัน แรงระหว่างลวดทั้งสองเป็นแรงผลัก
ความรู้เรื่องแรงระหว่างลวดตัวนำสองเส้นที่ขนานกันและมีกระแสไฟฟ้าผ่านถูกนำมาใช้นิยามหน่วยของกระแสไฟฟ้าในระบบเอสไอ โดยกำหนดว่า 1 แอมแปร์ คือ กระแสไฟฟ้าคงตัวในลวดตัวนำตรงทั้งสองเส้นที่ยาวมากและเล็กจนไม่คิดพื้นที่หน้าตัด ซึ่งวางขนานกันและห่างกัน 1 เมตร ในสุญญากาศ แล้วทำให้เกิดแรงระหว่างลวดตัวนำทั้งสองเท่ากับ 2 x 10-7 นิวตันต่อเมตร
แรงกระทำต่อขดลวดที่มีกระแสไฟฟ้าผ่านและอยู่ในสนามแม่เหล็กเมื่อลวดตัวนำตรงที่มีกระแสไฟฟ้าผ่านวางในสนามแม่เหล็ก จะเกิดแรงกระทำต่อลวด ถ้าเปลี่ยนลวดตัวนำตรงเป็นขดลวดรูปสี่เหลี่ยมมุมฉาก แรงกระทำที่เกิดขึ้นจะมีผลต่อขดลวดอย่างไร
พิจารณาขดลวดตัวนำรูปสี่เหลี่ยมมุมฉาก PQRS วางในสนามแม่เหล็ก
โดยระนาบของขดลวดขนานกับทิศของสนามแม่เหล็ก เมื่อให้กระแสไฟฟ้า I ผ่านขดลวดในทิศ จะพบว่า ลวดส่วน QR และ SP มีทิศของกระแสไฟฟ้าขนานกับสนามแม่เหล็กจึงไม่เกิดแรงกระทำต่อลวดสองส่วนนี้ แต่ในลวดส่วน PQ และ RS ทิศของกระแสไฟฟ้าตั้งฉากกับทิศสนามแม่เหล็ก จึงเกิดแรงกระทำต่อลวดสองส่วนนี้ แต่แรงทั้งสองนี้มีขนาดเท่ากัน และทิศตรงข้ามจึงเป็นแรงคู่ควบ และหาโมเมนต์ของแรงคู่ควบได้  |
จากรูป ให้ความยาว PS = QR = a และความยาว PQ = RS = b ดังนั้น แรงกระทำที่เกิดขึ้นกับลวดส่วน PQ และ RS จึงมีค่า IbB โมเมนต์ของแรงควบคู่หาได้ ดังนี้
โมเมนต์ของแรงคู่ควบ = แรงคู่ควบ x ระยะทางตั้งฉากระหว่างแนวแรงทั้งสอง
M = Fa = IbBa
M = IAB เมื่อ A = ab = พื้นที่ของขดลวด
เมื่อเกิดโมเมนต์ของแรงคู่ควบ ขดลวด PQRS จะหมุนทวนเข็มนาฬิกา
พิจารณาระนาบของขดลวด PQRS ทำมุม θ กับสนามแม่เหล็ก
โมเมนต์ของแรงคู่ควบหาได้ดังนี้โมเมนต์ของแรงคู่ควบ M = F (a cos θ) = IbB a cos θ
M = IAB cos θ
ถ้าขดลวดมีลวดพัน N รอบ จะได้ M = NIAB cos θ ------------------ สมการที่ (18)
ในกรณีที่ขดลวดเป็นระนาบรูปทรงอื่นที่ไม่ใช่สี่เหลี่ยม โมเมนต์ของแรงคู่ควบที่กระทำต่อขดลวดก็ยังหาได้จากสมการ (18)
ตัวอย่างที่ 13 ขดลวดตัวนำรูปสี่เหลี่ยมมีจำนวนขด 400 รอบ และพื้นที่ 20 ตารางเซนติเมตร อยู่ในสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอขนาด 0.5 เทสลา ถ้ามีกระแสไฟฟ้า 6 แอมแปร์ ผ่านขดลวด จงหาโมเมนต์ของแรงคู่ควบที่เกิดขึ้น เมื่อระนาบของขดลวดทำมุม 15 องศา กับสนามแม่เหล็ก
วิธีทำ โมเมนต์ของแรงคู่ควบ M = NIAB cos θ
ในที่นี้ N = 400, I = 6 A, A = 20 x 10-4 m2, B = 0.5 T และ θ = 15o
แทนค่า M = 400 x 6 A x 20 x 10-4 m2 x 0.58 T x cos 15o
= 400 x 6 x 20 x 10-4 x 0.5 x 0.97 Am2T
= 2.32 Nm
คำตอบ โมเมนต์ของแรงคู่ควบที่เกิดขึ้นเท่ากับ 2.32 นิวตัน เมตร
เราทราบแล้วว่า เมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านขดลวดตัวนำที่อยู่ในสนามแม่เหล็ก จะเกิดโมเมนต์ของแรงคู่ควบ ทำให้ขดลวดหมุน หลักการนี้นำไปใช้สร้างมอเตอร์ไฟฟ้ากระสตรง (dc motor) และแกลแวนอมิเตอร์ (galvanometer) ซึ่งอุปกรณ์ทั้งสองมีหลักการทำงานดังนี้
แกลแวนอมิเตอร์
แกลแวนอมิเตอร์เป็นเครื่องวัดไฟฟ้าประกอบด้วยขดลวดที่หมุนได้รอบแกน มีลักษณะเป็นขดลวดสี่เหลี่ยมที่มีแกนหมุน ปลายข้างหนึ่งของแกนหมุนอยู่ติดสปริงก้นหอยและเข็มชี้ขดลวดเคลื่อนที่นี้หมุนอยู่ในสนามแม่เหล็ก แกลแวนอมิเตอร์มีหลักการทำงาน ดังนี้
แกลแวนอมิเตอร์
แกลแวนอมิเตอร์เป็นเครื่องวัดไฟฟ้าประกอบด้วยขดลวดที่หมุนได้รอบแกน มีลักษณะเป็นขดลวดสี่เหลี่ยมที่มีแกนหมุน ปลายข้างหนึ่งของแกนหมุนอยู่ติดสปริงก้นหอยและเข็มชี้ขดลวดเคลื่อนที่นี้หมุนอยู่ในสนามแม่เหล็ก แกลแวนอมิเตอร์มีหลักการทำงาน ดังนี้
 |
เมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านขดลวดจะเกิดโมเมนต์ของแรงคู่ควบ ทำให้ระนาบของขดลวดหมุนและสปริงก้นหอยบิด จนกระทั่งโมเมนต์ของแรงบิดกลับของสปริงก้นหอยเท่ากับโมเมนต์ของแรงคู่ควบที่กระทำบนขดลวด ขดลวดก็จะหยุดหมุน ซึ่งมีผลให้เข็มหยุดนิ่งด้วย
มุมเบนของเข็มชี้ทำให้ทราบค่าของโมเมนต์ของแรงคู่ควบ M ซึ่งนำไปหาค่าของกระแสไฟฟ้าที่ผ่านขดลวด ตามสมการ (18) ได้ ถ้าทราบขนาดของสนามแม่เหล็กB จำนวนรอบ N ของขดลวด พื้นที่ระนาบ A ของขดลวด และมุม θ ระหว่างระนาบของลวดกับสนามแม่เหล็ก จะพบว่า โมเมนต์ของแรงคู่ควบที่กระทำต่อขดลวดขึ้นกับกระแสไฟฟ้าที่ผ่านขดลวด หลักการนี้นำไฟสร้างเครื่องวัดกระแสไฟฟ้าที่มีค่าน้อย ซึ่งเรียกว่า แกลแวนอมิเตอร์ ที่สามารถนำไปดัดแปลงเป็นแอมมิเตอร์และโวลต์มิเตอร์ได้
ขดลวดของแกลแวนอมิเตอร์มักทำด้วยลวดทองแดงอาบน้ำยาเส้นเล็กๆ พันรอบกรอบที่ติดบนแกนที่สามารถหมุนได้คล่อง ซึ่งจะใช้วัตถุที่มีความแข็งมาก เช่น ทับทิม เป็นฐานรองรับการหมุนที่ปลายทั้งสองของแกนหมุนเพื่อลดแรงเสียดทาน ส่วนสปริงก้นหอยติดกับแกนหมุน เมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านขดลวดจะเกิดโมเมนต์ของแรงคู่ควบที่บิดกรอบให้หมุนไปเล็กน้อย ทำให้เข็มที่ติดอยู่กับกรอบเบนตามไปด้วย โดยมุมที่เข็มเบนชี้ไปแปรผันตรงกับขนาดของกระแสไฟฟ้าที่ผ่านขดลวด เพราะแรงบิดกลับของสปริงก้นหอยจะมีค่าเพิ่มขึ้นตามมุมที่เข็มชี้เบน ดังนั้น เข็มจะเบนจนกระทั่งโมเมนต์ของแรงบิดกลับของสปริงก้นหอยเท่ากับโมเมนต์ของแรงคู่ควบ เข็มชี้จึงหยุดนิ่งที่มุมหนึ่งๆ และเมื่อไม่มีกระแสไฟฟ้าในขดลวด แรงบิดกลับของสปริงก้นหอยจะทำให้ขดลวดกลับมาอยู่ที่ตำแหน่งเริ่มต้น
การสร้างสเกลเพื่ออ่านค่ากระแสไฟฟ้า ทำได้โดยผ่านกระแสไฟฟ้าที่ทราบค่าเข้าขดลวด แล้วแบ่งขีดสเกลตามกระแสไฟฟ้าขนาดต่างๆ กัน
มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรง
มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงเป็นอุปกรณ์ที่เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกล ประกอบด้วย ขดลวดทองแดงเคลือบน้ำยา ที่พันรอบแกนสี่เหลี่ยมซึ่งติดอยู่กับแกนหมุนในสนามแม่เหล็ก ปลายทั้งสองของขดลวดต่อกับขั้วของแบตเตอรี่ เมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านขดลวด ขดลวดจะเกิดโมเมนต์ของแรงคู่ควบกระทำให้ขดลวดหมุนรอบแกนหมุน
พิจารณาขดลวด ABCD ขณะที่ระนาบของขดลวดวางตัวขนานกับสนามแม่เหล็ก โดยลวด AB อยู่ใกล้ขั้วเหนือ และ CD อยู่ใกล้ขั้วใต้ โมเมนต์ของแรงคู่ควบที่เกิดขึ้นจะหมุนขดลวดทวนเข็มนาฬิกา เมื่อขดลวดหมุนไป ¼ รอบ หรือ 90 องศา ขณะนี้ระนาบของขดลวดจะตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก
แรงที่กระทำต่อขดลวดจะอยู่ในแนวขนานกับระนาบ ABCD และผ่านแกนหมุน โมเมนต์ของแรงคู่ควบที่กระทำต่อขดลวดจึงมีค่าเป็นศูนย์ แต่ขดลวดจะหมุนไปอีกเล็กน้อยอันเป็นผลเนื่องจากความเฉื่อยของขดลวด และโมเมนต์ของแรงคู่ควบก็จะเพิ่มค่าจนระนาบของขดลวดขนานกับสนามแม่เหล็กอีกครั้ง โมเมนต์ของแรงคู่ควบที่เกิดขึ้น จะทำให้ขดลวดหมุนตามเข็มนาฬิกา นั่นคือขดลวดจะหมุนจนระนาบขดลวดขนานสนามแม่เหล็กอีกเพื่อให้ขดลวดหมุนอย่างเดียวต่อเนื่องทิศเดียว จึงมีอุปกรณ์สำหรับเปลี่ยนทิศของกระแสไฟฟ้าในขดลวด ประกอบด้วย ตัวทำสลับที่ หรือ คอมมิวเทเตอร์(commutator) และ แปรง (brush) คอมมิวเทเตอร์ทำด้วยโลหะตัวนำรูปทรงกระบอกผ่าซีก วางสัมผัสปลายของตัวนำที่เรียกว่า แปรง สังเกตการหมุนของขดลวด ขณะเกิดกระแสไฟฟ้าผ่านแปรงและคอมมิวเทเตอร์ ได้ดังนี้
จากรูป กระแสไฟฟ้าในขดลวดผ่านตามแนว ABCD ทำให้เกิดโมเมนต์ของแรงคู่ควบหมุนขดลวดตามเข็มนาฬิกา เมื่อขดลวดหมุนไปจนระนาบของขดลวดตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก ความเฉื่อยจะทำให้ขดลวดหมุนต่อไปอีกเล็กน้อย มีผลทำให้แปรง P และ Q เปลี่ยนตำแหน่งจาก x และ y ไปสัมผัสกับคอมมิวเทเตอร์ y และ x ตามลำดับ ทำให้กระแสไฟฟ้าในขดลวดมีทิศตามแนว DCBA โมเมนต์แรงคู่ควบที่เกิดขึ้นตอนนี้จะทำให้ขดลวดหมุนในทางเดิมต่อไป เพราะทิศของกระแสไฟฟ้าในขดลวดเปลี่ยนทุกครั้งที่ระนาบขดลวดตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก ดังนั้น ขดลวดจึงหมุนทางเดียวตลอดเวลา
จะเห็นว่า มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงนี้มีขดลวดเพียงระนาบเดียว จึงใช้คอมพิวเตอร์ 1 คู่ ถ้าพิจารณาในขณะที่ระนาบของขดลวดตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก โมเมนต์ของแรงคู่ควบจะมีค่าเป็นศูนย์ (ตามสมการ (18) เพราะ cos 90o = 0) แต่ขดลวดจะหมุนไปได้อีก เนื่องจากความเฉื่อย ดังนั้น ในตำแหน่งที่ระนาบของขดลวดตั้งฉากกับสนามแม่เหล็กจึงเป็นตำแหน่งที่มอเตอร์โมเมนต์กระทำน้อยที่สุด ดังนั้น เพื่อให้โมเมนต์ของแรงคู่ควบที่กระทำต่อขดลวดมีค่ามากขึ้น จึงต้องเพิ่มขดลวดในระนาบอื่นอีก โดยอาจใช้ตั้งแต่ 3 ระนาบขึ้นไป
มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงถูกนำไปใช้ทำให้เกิดการเคลื่อนที่หรือหมุนของอุปกรณ์ในเครื่องยนต์ เครื่องมือและเครื่องใช้ไฟฟ้าต่างๆ เช่น ชิ้นส่วนในของเล่นเด็ก ตัวหมุนเทปในเครื่องบันทึกเสียง ตัวหมุนเครื่องยนต์ของรถเมื่อเริ่มสตาร์ท เป็นต้น
การเกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำในเส้นลวดตัวนำ
เมื่อต้องการทราบว่า ฟลักซ์แม่เหล็กทำให้มีกระแสไฟฟ้าในลวดตัวนำได้หรือไม่ จะพบว่า เข็มของแอมมิเตอร์เบนไปจากตำแหน่งเดิม แสดงว่ามีกระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นในขดลวดทองแดง ในทางกลับกัน ถ้าให้ขดลวดทองแดงอยู่กับที่ แต่เคลื่อนที่แท่งแม่เหล็กไป-มา ให้ฟลักซ์แม่เหล็กที่ตัดขดลวดทองแดงเปลี่ยนแปลงก็จะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าผ่านแอมมิเตอร์ได้เช่นกัน นั่นคือ มีกระแสไฟฟ้าในขดลวดทองแดง
กระแสไฟฟ้าในขดลวดตัวนำเกิดจากฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านขดลวดตัวนำมีการเปลี่ยนแปลง เรียกการทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าลักษณะนี้ว่า การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic induction) และเรียกกระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจากวิธีนี้ว่า กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ (induced current)
กระแสไฟฟ้าในขดลวดตัวนำเกิดจากฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านขดลวดตัวนำมีการเปลี่ยนแปลง เรียกการทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าลักษณะนี้ว่า การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic induction) และเรียกกระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจากวิธีนี้ว่า กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ (induced current)
การเกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำในเส้นเลือดตัวนำ
เมื่อเคลื่อนเส้นลวดตัวนำในสนามแม่เหล็ก เส้นลวดตัวนำ PQ เคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 
ในทิศตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก 
ดังนั้น จะมีแรงแม่เหล็กกระทำต่ออิเล็กตรอนอิสระในเส้นลวดตัวนำในทิศตั้งฉากกับระนาบของ และ ซึ่งจะอยู่ในแนวเส้นลวด PQ มีผลทำให้เกิดความต่างศักย์ระหว่างปลาย PQ หรือ กล่าวอีกนัยหนึ่งว่า ปลายทั้งสองของเส้นลวดตัวนำมีความต่างศักย์ VPQ ดังนั้น ถ้าต่อเส้นลวดตัวนำนี้ให้ครบวงจร ก็จะมีกระแสไฟฟ้าในวงจร แสดงว่า ปลายทั้งสองของเส้นลวดตัวนำทำหน้าที่เสมือนเป็นแหล่งกำเนิดไฟฟ้า แรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เกิดขึ้นเรียกว่า แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ (induced electromotive force)
จากที่กล่าวมาแล้ว เป็นการใช้เส้นลวดตัวนำตรงเคลื่อนที่ตัดฟลักซ์แม่เหล็ก ถ้าให้ขดลวดตัวนำรูปสี่เหลี่ยมมุมฉาก หมุนตัดฟลักซ์แม่เหล็กในแนวตั้งฉากกับทิศสนามแม่เหล็กจะเกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำในขดลวดรูปสี่เหลี่ยม
ในทิศตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก ดังนั้น จะมีแรงแม่เหล็กกระทำต่ออิเล็กตรอนอิสระในเส้นลวดตัวนำในทิศตั้งฉากกับระนาบของ และ ซึ่งจะอยู่ในแนวเส้นลวด PQ มีผลทำให้เกิดความต่างศักย์ระหว่างปลาย PQ หรือ กล่าวอีกนัยหนึ่งว่า ปลายทั้งสองของเส้นลวดตัวนำมีความต่างศักย์ VPQ ดังนั้น ถ้าต่อเส้นลวดตัวนำนี้ให้ครบวงจร ก็จะมีกระแสไฟฟ้าในวงจร แสดงว่า ปลายทั้งสองของเส้นลวดตัวนำทำหน้าที่เสมือนเป็นแหล่งกำเนิดไฟฟ้า แรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เกิดขึ้นเรียกว่า แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ (induced electromotive force) จากที่กล่าวมาแล้ว เป็นการใช้เส้นลวดตัวนำตรงเคลื่อนที่ตัดฟลักซ์แม่เหล็ก ถ้าให้ขดลวดตัวนำรูปสี่เหลี่ยมมุมฉาก หมุนตัดฟลักซ์แม่เหล็กในแนวตั้งฉากกับทิศสนามแม่เหล็กจะเกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำในขดลวดรูปสี่เหลี่ยม
ขดลวดตัวนำหมุนตัดฟลักซ์แม่เหล็ก
ให้ขดลวด PQRS หมุนรอบแกน XY ในทิศทวนเข็มนาฬิกา เมื่อพิจารณาลวดตัวนำ ส่วน PQ และ RS จะเห็นว่า ลวด PQ และ RS เคลื่อนที่ตัดฟลักซ์แม่เหล็ก ในทิศลงและขึ้น ดังนั้น จะเกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ I โดยกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำจะมีทิศจาก P ไป Q และจาก R ไป S พร้อมกัน
เมื่อนำขดลวดตัวนำต่อกับแอมมิเตอร์ที่สามารถวัดกระแสไฟฟ้าค่าน้อยๆ ได้ และนำขดลวดนี้เคลื่อนที่เข้าใกล้หรือออกห่างแท่งแม่เหล็ก จะพบว่า ขณะที่ขดลวดตัวนำเคลื่อนนั้น จะมีกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำเกิดขึ้น ซึ่งสังเกตได้จากการเบนของเข็มชี้ของแอมมิเตอร์ แต่ขณะที่ขดลวดตัวนำอยู่นิ่ง จะไม่มีกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ เนื่องจากกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำเป็นผลที่ได้จากแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ ดังนั้น จึงกล่าวได้ว่า เมื่อฟลักซ์แม่เหล็กผ่านที่ขดลวดตัวนำมีค่าเปลี่ยนแปลง จะมีแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำเกิดขึ้นในขดลวดตัวนำ ซึ่งเป็นผลให้มีกระแสไฟฟ้าในขดลวดตัวนำนั้น
ไมเคิล ฟาราเดย์ ได้ทดลองเพื่อศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำและฟลักซ์แม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลง และสรุปได้ว่า แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นในขดลวด เป็นสัดส่วนกับอัตราการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านขดลวดนั้น เมื่อเทียบกับเวลา ข้อความนี้เรียกว่า กฎการเหนี่ยวนำของฟาราเดย์ (Faraday’s Law of Induction) เรียกสั้นๆ ว่า กฎของฟาราเดย์ ซึ่งเป็นกฎพื้นฐานของไฟฟ้าและแม่เหล็ก
อ่านเพิ่มเติม ประวัติ : Michael Faraday
พิจารณาระนาบของขดลวดอยู่ในแนวเดียวกับสนามแม่เหล็ก ในตอนแรกไม่มีฟลักซ์แม่เหล็กผ่านขดลวด
เมื่อขดลวดหมุนจากตำแหน่งเริ่มต้น ระนาบของขดลวดจะทำมุมต่างๆ กับสนามแม่เหล็ก ฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านขดลวดจะมีค่าเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ และมีค่าสูงสุดเมื่อระนาบของขดลวดตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก สรุปคือ ในช่วงการหมุนของขดลวดที่ระนาบขดลวดหมุนกวาดมุมไป 90 องศา จากตำแหน่งเริ่มต้นนี้ ฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านขดลวดมีการเปลี่ยนแปลง ดังนั้นจะเกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ และกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำขดลวด
ต่อไปจะศึกษาว่า ถ้าขดลวดอยู่กับที่และฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านขดลวดเปลี่ยนแปลง จะมีกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำเกิดขึ้นหรือไม่ และกระแสไฟฟ้ามีความสัมพันธ์กับทิศทางการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็กอย่างไร
เมื่อนำขดลวดตัวนำต่อกับแอมมิเตอร์ที่สามารถวัดกระแสไฟฟ้าค่าน้อยๆ ได้ และนำขดลวดนี้เคลื่อนที่เข้าใกล้หรือออกห่างแท่งแม่เหล็ก จะพบว่า ขณะที่ขดลวดตัวนำเคลื่อนนั้น จะมีกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำเกิดขึ้น ซึ่งสังเกตได้จากการเบนของเข็มชี้ของแอมมิเตอร์ แต่ขณะที่ขดลวดตัวนำอยู่นิ่ง จะไม่มีกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ เนื่องจากกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำเป็นผลที่ได้จากแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ ดังนั้น จึงกล่าวได้ว่า เมื่อฟลักซ์แม่เหล็กผ่านที่ขดลวดตัวนำมีค่าเปลี่ยนแปลง จะมีแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำเกิดขึ้นในขดลวดตัวนำ ซึ่งเป็นผลให้มีกระแสไฟฟ้าในขดลวดตัวนำนั้น
ไมเคิล ฟาราเดย์ ได้ทดลองเพื่อศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำและฟลักซ์แม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลง และสรุปได้ว่า แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นในขดลวด เป็นสัดส่วนกับอัตราการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านขดลวดนั้น เมื่อเทียบกับเวลา ข้อความนี้เรียกว่า กฎการเหนี่ยวนำของฟาราเดย์ (Faraday’s Law of Induction) เรียกสั้นๆ ว่า กฎของฟาราเดย์ ซึ่งเป็นกฎพื้นฐานของไฟฟ้าและแม่เหล็ก
อ่านเพิ่มเติม ประวัติ : Michael Faraday
พิจารณาระนาบของขดลวดอยู่ในแนวเดียวกับสนามแม่เหล็ก ในตอนแรกไม่มีฟลักซ์แม่เหล็กผ่านขดลวด
เมื่อขดลวดหมุนจากตำแหน่งเริ่มต้น ระนาบของขดลวดจะทำมุมต่างๆ กับสนามแม่เหล็ก ฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านขดลวดจะมีค่าเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ และมีค่าสูงสุดเมื่อระนาบของขดลวดตั้งฉากกับสนามแม่เหล็ก สรุปคือ ในช่วงการหมุนของขดลวดที่ระนาบขดลวดหมุนกวาดมุมไป 90 องศา จากตำแหน่งเริ่มต้นนี้ ฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านขดลวดมีการเปลี่ยนแปลง ดังนั้นจะเกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำ และกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำขดลวด
ต่อไปจะศึกษาว่า ถ้าขดลวดอยู่กับที่และฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านขดลวดเปลี่ยนแปลง จะมีกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำเกิดขึ้นหรือไม่ และกระแสไฟฟ้ามีความสัมพันธ์กับทิศทางการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็กอย่างไร
ทิศของกระแสไฟฟ้าเมื่อใช้กฎของเลนซ์
การหาทิศของกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำในขดลวดตัวนำ หาได้จากกฎของเลนซ์ (Lenz’s law) ซึ่งมีใจความว่า แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำในขดลวดจะเกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำในทิศที่จะทำให้เกิดฟลักซ์แม่เหล็กใหม่ขึ้นมาต้านการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์แม่เหล็กเดิมที่ตัดผ่านขดลวดนั้น
ขดลวดตัวนำ P อยู่ระหว่างขั้วของแม่เหล็กไฟฟ้า ดังรูป ก.ถ้าสนามแม่เหล็กในบริเวณขดลวดมีค่าสม่ำเสมอเท่ากับ
เมื่อเพิ่มกระแสไฟฟ้า ทำให้สนามแม่เหล็กที่สม่ำเสมอมีค่าเพิ่มขึ้นเป็น 
ดังรูป ข.
สนามแม่เหล็กที่เพิ่มขึ้นมีค่าเท่ากับ
ดังรูป ก. แสดงว่า ฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านขดลวด P ก็เปลี่ยนแปลงด้วย ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำในขดลวด P ในทิศที่ทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก 
ซึ่งมีทิศตรงข้ามกับ 
ดังรูป ข. ตามกฎของเลนซ์ ทิศของกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ ดังรูปด้านล่าง ก. ทำนองเดียวกัน ถ้าสนามแม่เหล็กมีค่าลดลงก็จะเกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำเช่นเดียวกัน ด้านล่าง ข.
ขดลวดตัวนำ P อยู่ระหว่างขั้วของแม่เหล็กไฟฟ้า ดังรูป ก.ถ้าสนามแม่เหล็กในบริเวณขดลวดมีค่าสม่ำเสมอเท่ากับ
เมื่อเพิ่มกระแสไฟฟ้า ทำให้สนามแม่เหล็กที่สม่ำเสมอมีค่าเพิ่มขึ้นเป็น ดังรูป ข.สนามแม่เหล็กที่เพิ่มขึ้นมีค่าเท่ากับ
ดังรูป ก. แสดงว่า ฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านขดลวด P ก็เปลี่ยนแปลงด้วย ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำในขดลวด P ในทิศที่ทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก ซึ่งมีทิศตรงข้ามกับ ดังรูป ข. ตามกฎของเลนซ์ ทิศของกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำ ดังรูปด้านล่าง ก. ทำนองเดียวกัน ถ้าสนามแม่เหล็กมีค่าลดลงก็จะเกิดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำเช่นเดียวกัน ด้านล่าง ข. |
 |
มอเตอร์เมื่อพิจารณามอเตอร์ไฟฟ้าที่มีกระแสไฟฟ้าเข้ามอเตอร์ กระแสไฟฟ้านี้จะทำให้เกิดโมเมนต์ของแรงคู่ควบซึ่งจะทำให้ขดลวดหมุน แต่ขณะที่มอเตอร์หมุน ฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านขดลวดจะมีค่าเปลี่ยนแปลง เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่มีทิศตรงข้ามกับแรงเคลื่อนไฟฟ้าเดิม ทำให้กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำในขดลวดในทิศตรงข้ามกับกระแสไฟฟ้าที่ทำให้ขดลวดหมุน จึงเป็นผลทำให้กระแสไฟฟ้าผ่านมอเตอร์ขณะหมุนด้วยอัตราเร็วคงตัว มีค่าน้อยกว่ากระแสไฟฟ้าที่ผ่านมอเตอร์ขณะเริ่มหมุน แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำกรณีนี้เรียกว่า แรงเคลื่อนไฟฟ้าต้านกลับ (back emf)
 |
ในกรณีมอเตอร์ติดขัดจากความเสียดทานตามจุดหมุน ความเสียดทานจากแรงภายนอกหรือแรงเคลื่อนไฟฟ้าตก เป็นเหตุให้มอเตอร์หยุดหมุนหรือหมุนช้ากว่าปกติ แรงเคลื่อนไฟฟ้าต้านกลับจะมีค่าน้อย ทำให้กระแสไฟฟ้าที่ผ่านขดลวดในขณะนั้นมีค่ามาก และกระแสไฟฟ้าที่มีค่ามาก เมื่อผ่านขดลวดเป็นเวลานานๆ จะทำให้ขดลวดร้อน จนขดลวดไหม้ได้ ดังนั้น จึงจำเป็นต้องตัดสวิตซ์เพื่อหยุดการทำงานของมอเตอร์ เป็นการชั่วคราวทุกครั้งที่แรงเคลื่อนไฟฟ้าตก หรือมอเตอร์ไม่หมุน โดยปกติแล้วจะติดตั้งสวิตซ์วงจรแบบอัตโนมัติกับเครื่องใช้ไฟฟ้าที่มีมอเตอร์ซึ่งเป็นส่วนทำงานหลัก เช่น ตู้เย็น เครื่องดูดฝุ่น เครื่องปรับอากาศ และลิฟต์ เป็นต้น
เครื่องกำเนิดไฟฟ้าการเคลื่อนขดลวดตัวนำทำให้ฟลักซ์แม่เหล็กที่ผ่านขดลวดมีการเปลี่ยนแปลง จึงแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำเกิดขึ้น เราจะมีวิธีการนำปกระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นในขดลวดออกมาประยุกต์ได้อย่างไร
กระแสไฟฟ้าขณะต่อสายไฟจากขั้ว D.C. มีทิศเดียว เรียกกระแสไฟฟ้านี้ว่า กระแสไฟฟ้าตรง แต่สำหรับกระแสไฟฟ้าที่ต่อสายไฟจากขั้ว A.C. จะมีทิศสลับไปมา เรียกกระแสไฟฟ้านี้ว่า กระแสไฟฟ้าสลับ
พิจารณาเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง ขณะระนาบของขดลวดอยู่ที่ตำแหน่งต่างๆ ในช่วงเวลาจาก 0 ถึง T เมื่อ T เป็นคาบที่ใช้ในการหมุนขดลวดตัวนำครบหนึ่งรอบ กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นในช่วงเวลาดังกล่าว จะเป็นดังรูป
ขณะที่ระนาบขดลวด PQRS ตั้งฉากกับทิศของสนามแม่เหล็ก ทิศของความเร็วของขดลวดอยู่ในแนวเดียวกับทิศของสนามแม่เหล็กจึงไม่มีกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำเกิดขึ้นในขดลวด ต่อมาทิศของความเร็วเริ่มทำมุมกับทิศของสนามแม่เหล็ก กระแสไฟฟ้าเริ่มมีและมีค่าเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ จนมีค่ามากที่สุด เมื่อทิศของความเร็วตั้งฉากกับทิศของสนามแม่เหล็ก ซึ่งตำแหน่งนี้ เป็นตำแหน่งที่ระนาบขดลวด PQRS อยู่ในแนวเดียวกับทิศสนามแม่เหล็กและเมื่อขดลวดหมุนต่อไฟอีก กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำก็จะมีค่าลดลงและเป็นศูนย์อีกครั้ง เนื่องจากระบบมีคอมมิวเทเตอร์ และแปรงจึงทำให้ทิศของกระแสไฟฟ้าที่ออกจากเครื่องกำเนิดไฟฟ้ามีเพียงทิศเดียว ดังนั้น กราฟของกระแสไฟฟ้าในช่วง
ถึง T จึงเหมือนกับช่วง 0 ถึง ในช่วงเวลา 0 ถึง
กราฟระหว่างกระแสไฟฟ้ากับเวลาของกระแสสลับจะเหมือนกับกระแสตรง แต่ในช่วง ถึง T กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำของเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับจะกลับทิศถ้าต่อตัวต้านทานกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ กราฟระหว่างกระแสไฟฟ้าที่ผ่านตัวต้านทานกับเวลา และความต่างศักย์ระหว่างปลายทั้งสองของตัวต้านทานกับเวลา จะเป็นดังนี้
 |
กราฟระหว่างความต่างศักย์ไฟฟ้ากระแสสลับกับเวลาในช่วงเวลา 0 ถึง T จะเหมือนกับกราฟในช่วง T ถึง 2T ดังนั้นช่วงเวลา 0 ถึง T จึงเป็นหน่วยเวลาหนึ่งคาบของการเคลื่อนที่ครบ 1 รอบ ถ้าเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับหมุนด้วยความถี่ 1 รอบต่อวินาที ไฟฟ้ากระแสสลับจะมีความถี่ 1 เฮิรตซ์ ในประเทศไทยความถี่ของไฟฟ้ากระแสสลับมีค่า 50 เฮิรตซ์ และความต่างศักย์เป็น 220 โวลต์ ดังนั้น ถ้าต้องการทราบว่าเครื่องใช้ไฟฟ้าชิ้นในสามารถใช้งานในประเทศไทยได้ ต้องพิจารณาจากตัวเลขกำกับเครื่องนั้นๆ ซึ่งจะบอกความต่างศักย์และความถี่ว่ามีค่า 220 โวลต์ 50 เฮิรตซ์ หรือไม่ เพราะงานไฟฟ้าบางประเภทต้องการความถี่ที่แน่นอน เช่น การใช้มอเตอร์ไฟฟ้าของนาฬิกาไฟฟ้าบางชนิด เพราะถ้าความถี่แตกต่างจากที่กำหนดให้จะทำให้เครื่องใช้นั้นชำรุด หรือทำงานได้ไม่ดี
เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับของรถจักรยาน
เครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ศึกษามาแล้วให้กระแสไฟฟ้าโดยการใช้ขดลวดหมุนตัดฟลักซ์แม่เหล็ก เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับบางประเภทใช้วิธีหมุนแท่งแม่เหล็ก ให้ฟลักซ์แม่เหล็กตัดขดลวดตัวนำ กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นภายในลวดตัวนำสามารถผ่านสายไฟออกไปได้ทันที ไม่ต้องมีวงแหวนลื่นและแปรงมาประกอบ ตัวอย่างได้แก่ เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับของรถจักรยาน
ในขณะที่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าชนิดหมุนมีกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำเกิดขึ้นในขดลวดตัวนำ เนื่องจากลวดตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้านั้นอยู่ในสนามแม่เหล็ก ดังนั้น จะเกิดแรงกระทำขึ้น ซึ่งแรงนี้จะต้านการหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า จึงเป็นผลให้ต้องทำงานในการหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า และนั่นหมายความว่า ยิ่งต้องการใช้พลังงานไฟฟ้ามากขึ้นเท่าใด ก็ต้องทำงานหนักมากขึ้นเท่านั้น ซึ่งอาจกล่าวตามกฎการอนุรักษ์พลังงานได้ว่า พลังงานกลถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้า
เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับที่ใช้งานตามโรงไฟฟ้ามักจะมีขดลวดตัวนำอยู่ 3 ชุด จึงเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้า 3 เฟส เพราะระนาบของขดลวดแต่ละชุดทำมุม 120 องศา ซึ่งกันและกัน
ในขณะที่เครื่องกำเนิดไฟฟ้าชนิดหมุนมีกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำเกิดขึ้นในขดลวดตัวนำ เนื่องจากลวดตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้านั้นอยู่ในสนามแม่เหล็ก ดังนั้น จะเกิดแรงกระทำขึ้น ซึ่งแรงนี้จะต้านการหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า จึงเป็นผลให้ต้องทำงานในการหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า และนั่นหมายความว่า ยิ่งต้องการใช้พลังงานไฟฟ้ามากขึ้นเท่าใด ก็ต้องทำงานหนักมากขึ้นเท่านั้น ซึ่งอาจกล่าวตามกฎการอนุรักษ์พลังงานได้ว่า พลังงานกลถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้า
เครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับที่ใช้งานตามโรงไฟฟ้ามักจะมีขดลวดตัวนำอยู่ 3 ชุด จึงเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้า 3 เฟส เพราะระนาบของขดลวดแต่ละชุดทำมุม 120 องศา ซึ่งกันและกัน
กราฟระหว่างความต่างศักย์กับเวลาของขดลวดทั้งสามชุด
ถ้าหมุนแท่งเหล็กของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า 3 เฟส ไฟครบ 1 รอบ สนามแม่เหล็กจะเหนี่ยวนำให้เกิดไฟฟ้ากระแสสลับออกมาจากขดลวดทั้งสามชุด แต่เนื่องจากขดลวดทั้งสามมีระนาบขดลวดทำมุมกัน 120 องศา ดังนั้น ค่าสูงสุดของความต่างศักย์ของขดลวดแต่ละชุดจะเกิดขึ้นไม่พร้อมกัน เราสามารถเขียนกราฟระหว่างความต่างศักย์กับเวลาของขดลวดแต่ละชุดได้
กระแสสลับจากขดลวดทั้งสามชุดจะมีเฟสต่างกัน 120 องศา เราเรียกเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดังกล่าวนี้ว่า เครื่องกำเนิดไฟฟ้า 3 เฟส และเครื่องจะมีสายต่อออกจากขดลวดทั้งสามชุดทั้งหมด 6 เส้น เพื่อความสะดวกในการใช้งานจึงมักนำสายหนึ่งของขดลวดแต่ละชุดต่อเข้าด้วยกัน เรียกว่า สายกลาง ซึ่งสายนี้มักจะต่อลงดิน จึงมีศักย์ไฟฟ้าเป็นศูนย์ตลอดเวลา เมื่อเทียบกับดิน ส่วนสายที่เหลือของขดลวดแต่ละชุดอีก 3 เส้น เป็นสายที่ศักย์ไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงตามการหมุนของขดลวด เมื่อเทียบกับสายกลาง
ไฟฟ้าตามบ้านเรือนเป็นไฟฟ้าเฟสเดียว ที่มีความต่างศักย์ของแต่ละเฟสเพียง 220 โวลต์ การส่งพลังงานไฟฟ้านิยมส่งแบบกระแสสลับ 3 เฟส 4 สาย ซึ่งสายที่เพิ่มมาคือสายกลาง เมื่อต้องการนำไฟฟ้าไปใช้ก็ทำได้โดยการต่อสายไฟสายใดสายหนึ่งของไฟฟ้า 3 เฟส กับสายกลาง ไฟฟ้าเฟสเดียวนี้ใช้ได้กับเครื่องใช้ไฟฟ้าที่ต้องการกำลังมาก เช่น พัดลม ตู้เย็น ที่ใช้กันตามบ้านเรือน สำหรับมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับขนาดใหญ่ที่ใช้กันตามโรงงานมักใช้ไฟฟ้า 3 เฟส ซึ่งในกรณีนี้จะต่อสายไฟทั้ง 3 สายของไฟฟ้า 3 เฟส ที่มีความต่างศักย์เหมาะสมกับมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับโดยตรง
กระแสสลับจากขดลวดทั้งสามชุดจะมีเฟสต่างกัน 120 องศา เราเรียกเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดังกล่าวนี้ว่า เครื่องกำเนิดไฟฟ้า 3 เฟส และเครื่องจะมีสายต่อออกจากขดลวดทั้งสามชุดทั้งหมด 6 เส้น เพื่อความสะดวกในการใช้งานจึงมักนำสายหนึ่งของขดลวดแต่ละชุดต่อเข้าด้วยกัน เรียกว่า สายกลาง ซึ่งสายนี้มักจะต่อลงดิน จึงมีศักย์ไฟฟ้าเป็นศูนย์ตลอดเวลา เมื่อเทียบกับดิน ส่วนสายที่เหลือของขดลวดแต่ละชุดอีก 3 เส้น เป็นสายที่ศักย์ไฟฟ้าเปลี่ยนแปลงตามการหมุนของขดลวด เมื่อเทียบกับสายกลาง
ไฟฟ้าตามบ้านเรือนเป็นไฟฟ้าเฟสเดียว ที่มีความต่างศักย์ของแต่ละเฟสเพียง 220 โวลต์ การส่งพลังงานไฟฟ้านิยมส่งแบบกระแสสลับ 3 เฟส 4 สาย ซึ่งสายที่เพิ่มมาคือสายกลาง เมื่อต้องการนำไฟฟ้าไปใช้ก็ทำได้โดยการต่อสายไฟสายใดสายหนึ่งของไฟฟ้า 3 เฟส กับสายกลาง ไฟฟ้าเฟสเดียวนี้ใช้ได้กับเครื่องใช้ไฟฟ้าที่ต้องการกำลังมาก เช่น พัดลม ตู้เย็น ที่ใช้กันตามบ้านเรือน สำหรับมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับขนาดใหญ่ที่ใช้กันตามโรงงานมักใช้ไฟฟ้า 3 เฟส ซึ่งในกรณีนี้จะต่อสายไฟทั้ง 3 สายของไฟฟ้า 3 เฟส ที่มีความต่างศักย์เหมาะสมกับมอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับโดยตรง
การส่งพลังงานไฟฟ้าแบบสามเฟส
ข้อดีของการผลิตและการส่งกระแสไฟฟ้า 3 เฟส ก็คือ การส่งกำลังไฟฟ้าจะถูกแบ่งออกเป็น 3 ส่วน ทำให้ไม่ต้องใช้สายไฟขนาดใหญ่มาก เป็นการประหยัดและลดการสูญเสียได้มาก นอกจากนี้ชุมชนต่างๆ ที่ใช้ไฟฟ้ากันคนละเฟส เมื่อเกิดเหตุการณ์ไฟฟ้าดับเฟสใดเฟสหนึ่ง ชุมชนที่ใช้ไฟฟ้าเฟสอื่นก็ยังมีไฟฟ้าใช้ตามปกติ ซึ่งถ้าเป็นการส่งกำลังไฟฟ้าเพียงเฟสเดียวเมื่อไฟฟ้าในชุมชนใดดับ ไฟฟ้าในชุมชนอื่นก็จะดับพร้อมกันหมด
การทำให้แท่งแม่เหล็กของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า 3 เฟส หมุนเพื่อให้ฟลักซ์แม่เหล็กตัดขดลวดตัวนำจะต้องใช้พลังงานกล และพลังงานกลนี้ก็จะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้า นั่นคือ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเป็นเครื่องมือที่เปลี่ยนพลังงานกลให้เป็นพลังงานไฟฟ้า พลังงานกลที่ใช้ในการผลิตพลังงานไฟฟ้าที่ใช้ในประเทศไทยนั้นได้มาจากการเปลี่ยนพลังงานความร้อนและพลังงานศักย์โน้มถ่วงโดยใช้พลังงานความร้อนอาจได้จากการเผาไหม้ของน้ำมันเตา ถ่านหิน ก๊าซธรรมชาติ ซึ่งถูกใช้ในการต้มให้กลายเป็นไอน้ำที่มีความดันสูง ไปหมุนกังหันที่ต่อกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า เมื่อเครื่องทำงาน ก็จะได้พลังงานไฟฟ้าออกมา นอกจากจะใช้พลังงานความร้อนในการต้มให้กลายเป็นไอแล้ว ก็ยังมีการใช้พลังงานความร้อนของก๊าซธรรมชาติด้วย คือ น้ำมันเชื้อเพลิงจะทำให้เกิดก๊าซภายในกระบอกสูบของเครื่องยนต์ขยายตัว เป็นผลให้ลูกสูบเคลื่อนที่และหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ซึ่งก็จะให้พลังงานไฟฟ้าออกมาเช่นกัน
สำหรับการใช้พลังงานศักย์โน้มถ่วงของน้ำที่ถูกกักตามเขื่อนให้เป็นประโยชน์ ก็สามารถทำได้โดยปล่อยน้ำให้ไหลผ่านกังหันที่ต่อกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า พลังงานศักย์โน้มถ่วงของน้ำจะถูกเปลี่ยนไปเป็นพลังงานจลน์ทำให้กังหันหมุน ทำให้สามารถผลิตพลังงานไฟฟ้าได้
การทำให้แท่งแม่เหล็กของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า 3 เฟส หมุนเพื่อให้ฟลักซ์แม่เหล็กตัดขดลวดตัวนำจะต้องใช้พลังงานกล และพลังงานกลนี้ก็จะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้า นั่นคือ เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเป็นเครื่องมือที่เปลี่ยนพลังงานกลให้เป็นพลังงานไฟฟ้า พลังงานกลที่ใช้ในการผลิตพลังงานไฟฟ้าที่ใช้ในประเทศไทยนั้นได้มาจากการเปลี่ยนพลังงานความร้อนและพลังงานศักย์โน้มถ่วงโดยใช้พลังงานความร้อนอาจได้จากการเผาไหม้ของน้ำมันเตา ถ่านหิน ก๊าซธรรมชาติ ซึ่งถูกใช้ในการต้มให้กลายเป็นไอน้ำที่มีความดันสูง ไปหมุนกังหันที่ต่อกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า เมื่อเครื่องทำงาน ก็จะได้พลังงานไฟฟ้าออกมา นอกจากจะใช้พลังงานความร้อนในการต้มให้กลายเป็นไอแล้ว ก็ยังมีการใช้พลังงานความร้อนของก๊าซธรรมชาติด้วย คือ น้ำมันเชื้อเพลิงจะทำให้เกิดก๊าซภายในกระบอกสูบของเครื่องยนต์ขยายตัว เป็นผลให้ลูกสูบเคลื่อนที่และหมุนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ซึ่งก็จะให้พลังงานไฟฟ้าออกมาเช่นกัน
สำหรับการใช้พลังงานศักย์โน้มถ่วงของน้ำที่ถูกกักตามเขื่อนให้เป็นประโยชน์ ก็สามารถทำได้โดยปล่อยน้ำให้ไหลผ่านกังหันที่ต่อกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้า พลังงานศักย์โน้มถ่วงของน้ำจะถูกเปลี่ยนไปเป็นพลังงานจลน์ทำให้กังหันหมุน ทำให้สามารถผลิตพลังงานไฟฟ้าได้
ตัวอย่างการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานน้ำ
ไฟฟ้าที่ผลิตได้จากโรงไฟฟ้าจะถูกส่งมาในรูปของไฟฟ้า 3 เฟส เพื่อความสะดวกและประหยัดไฟฟ้า นอกจากนี้การส่งไฟฟ้ายังคำนึงถึงความต่างศักย์ด้วย เพราะว่าสายไฟมีความต้านทาน โดยเฉพาะการส่งไฟฟ้าไปตามสายไฟเป็นระยะทางไกลๆ เพราะสายไฟที่ยาวขึ้นจะมีความต้านทานเพิ่มขึ้น ดังนั้น กระแสไฟฟ้าที่ผ่านสายไฟซึ่งมีความต้านทานก็จะมีความร้อนเกิดขึ้นภายในสายไฟนั้น ซึ่งพลังงานความร้อนนี้มาจากพลังงานไฟฟ้า นี่คือ การสูญเสียพลังงานไฟฟ้า ดังนั้น เพื่อให้เกิดการสูญเสียพลังงานไฟฟ้าในรูปของความร้อนน้อยที่สุดที่ตะเป็นไปได้ การส่งกำลังไฟฟ้าจึงต้องการความต่างศักย์ที่เหมาะสม ดังพิจารณาได้จากตัวอย่าง
ตัวอย่างที่ 1 เครื่องกำเนิดไฟฟ้าสามารถส่งกำลังไฟฟ้าได้ 88 กิโลวัตต์ จงหาพลังงานความร้อนที่สูญเสียไปภายในสายไฟ กำหนดให้ส่งกำลังไฟฟ้าผ่านสายไฟที่ยาว 500 เมตร คึวามต้านทาน 0.25 โอห์ม นาน 10 วินาที ด้วยความต่างศักย์
ก. 220 โวลต์
ข. 22 000 โวลต์
วิธีทำ หากระแสไฟฟ้าจากความสัมพันธ์
**************
หาความร้อนที่เกิดขึ้นเนื่องจากกระแสไฟฟ้าผ่านความต้านทาน R จาก
คำตอบ พลังงานไฟฟ้าที่สูญเสียไปในรูปความร้อนเมื่อใช้
ก. ความต่างศักย์ 220 โวลต์ เท่ากับ 400 000 จูล
ข. ความต่างศักย์ 22 000 เท่ากับ 40 จูล
จากตัวอย่างแสดงว่า การส่งกำลังไฟฟ้าที่มีค่ามากไประยะไกลๆ ควรใช้ความต่างศักย์สูงมาก เพื่อให้มีการสูญเสียพลังงานไฟฟ้าไปเป็นพลังงานความร้อนมีค่าน้อย แต่มิใช่ว่า ความต่างศักย์จะมีค่าสูงเท่าใดก็ได้ไม่มีขีดจำกัด เพราะตามความจริง ถ้าความต่างศักย์สูงมากเกินไป อากาศในบริเวณรอบสายไฟจะถูกสนามไฟฟ้าทำให้เป็นตัวนำจึงทำให้มีกระแสไฟฟ้าลัดวงจรระหว่างสายไฟของไฟฟ้า 3 เฟส ที่เป็นสายส่งที่มีความต่างศักย์สูงได้ และนี่เป็นเหตุของการสูญเสียพลังงานไฟฟ้าอีกเหตุหนึ่ง นอกจากนี้เมื่อฝนตกก็อาจมีอันตราย เนื่องจากไฟฟ้ารั่วลงมาตามเสาไฟฟ้าที่เป็นโลหะได้ ดังนั้น ความต่างศักย์ที่จะใช้จึงต้องมีค่าที่เหมาะสม ในทางปฏิบัติโรงงานไฟฟ้าจะส่งไฟฟ้าที่ความต่างศักย์ 230 000 โวลต์ จากสายส่งจนถึงสถานีย่อย ซึ่งจะลดความต่างศักย์ลงเหลือ 69 000 โวลต์ แล้วแจกจ่ายไปตามชุมชนต่างๆ ซึ่งจะทำให้ความต่างศักย์ลดลงอีกเหลือ 220 โวลต์ สำหรับใช้ตามบ้านเรือน สายส่ง 220 โวลต์นี้ ตามปกติมีความยาวไม่มากนัก เพื่อป้องกันการสูญเสียพลังงานไฟฟ้าดังกล่าวมาแล้ว สำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้เปลี่ยนความต่างศักย์ คือ หม้อแปลง จะศึกษาหม้อแปลงในหัวข้อถัดไป
ตัวอย่างที่ 1 เครื่องกำเนิดไฟฟ้าสามารถส่งกำลังไฟฟ้าได้ 88 กิโลวัตต์ จงหาพลังงานความร้อนที่สูญเสียไปภายในสายไฟ กำหนดให้ส่งกำลังไฟฟ้าผ่านสายไฟที่ยาว 500 เมตร คึวามต้านทาน 0.25 โอห์ม นาน 10 วินาที ด้วยความต่างศักย์
ก. 220 โวลต์
ข. 22 000 โวลต์
วิธีทำ หากระแสไฟฟ้าจากความสัมพันธ์
**************
หาความร้อนที่เกิดขึ้นเนื่องจากกระแสไฟฟ้าผ่านความต้านทาน R จาก
คำตอบ พลังงานไฟฟ้าที่สูญเสียไปในรูปความร้อนเมื่อใช้
ก. ความต่างศักย์ 220 โวลต์ เท่ากับ 400 000 จูล
ข. ความต่างศักย์ 22 000 เท่ากับ 40 จูล
จากตัวอย่างแสดงว่า การส่งกำลังไฟฟ้าที่มีค่ามากไประยะไกลๆ ควรใช้ความต่างศักย์สูงมาก เพื่อให้มีการสูญเสียพลังงานไฟฟ้าไปเป็นพลังงานความร้อนมีค่าน้อย แต่มิใช่ว่า ความต่างศักย์จะมีค่าสูงเท่าใดก็ได้ไม่มีขีดจำกัด เพราะตามความจริง ถ้าความต่างศักย์สูงมากเกินไป อากาศในบริเวณรอบสายไฟจะถูกสนามไฟฟ้าทำให้เป็นตัวนำจึงทำให้มีกระแสไฟฟ้าลัดวงจรระหว่างสายไฟของไฟฟ้า 3 เฟส ที่เป็นสายส่งที่มีความต่างศักย์สูงได้ และนี่เป็นเหตุของการสูญเสียพลังงานไฟฟ้าอีกเหตุหนึ่ง นอกจากนี้เมื่อฝนตกก็อาจมีอันตราย เนื่องจากไฟฟ้ารั่วลงมาตามเสาไฟฟ้าที่เป็นโลหะได้ ดังนั้น ความต่างศักย์ที่จะใช้จึงต้องมีค่าที่เหมาะสม ในทางปฏิบัติโรงงานไฟฟ้าจะส่งไฟฟ้าที่ความต่างศักย์ 230 000 โวลต์ จากสายส่งจนถึงสถานีย่อย ซึ่งจะลดความต่างศักย์ลงเหลือ 69 000 โวลต์ แล้วแจกจ่ายไปตามชุมชนต่างๆ ซึ่งจะทำให้ความต่างศักย์ลดลงอีกเหลือ 220 โวลต์ สำหรับใช้ตามบ้านเรือน สายส่ง 220 โวลต์นี้ ตามปกติมีความยาวไม่มากนัก เพื่อป้องกันการสูญเสียพลังงานไฟฟ้าดังกล่าวมาแล้ว สำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ใช้เปลี่ยนความต่างศักย์ คือ หม้อแปลง จะศึกษาหม้อแปลงในหัวข้อถัดไป
หม้อแปลง
เราทราบแล้วว่า อาจทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำในขดลวดตัวนำได้โดยให้ขดลวดตัวนำเคลื่อนที่ตัดฟลักซ์แม่เหล็ก หรือโดยให้มีฟลักซ์แม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงผ่านขดลวดนั้น ถ้าเราให้ฟลักซ์แม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงในขดลวดชุดแรกผ่านไปยังขดลวดชุดที่สองจะมีแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำเกิดขึ้นในขดลวดชุดที่สองหรือไม่
ขดลวดที่ต่อกับแหล่งกำเนิดไฟฟ้าเรียกว่า ขดลวดปฐมภูมิ ส่วนขดลวดอีกขดหนึ่งที่ต่อกับเครื่องใช้ไฟฟ้า เรียกว่า ขดลวดทุติยภูมิ เมื่อกระแสไฟฟ้าสลับผ่านขดลวดปฐมภูมิ จะมีฟลักซ์แม่เหล็กที่มีค่าเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้น และเมื่อฟลักซ์แม่เหล็กนี้ถูกผ่านไปยังขดลวดทุติยภูมิก็ทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำในขดลวดทุติยภูมิ ทำให้หลอดไฟสว่าง แสดงว่ามีกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำเกิดขึ้นด้วย เนื่องจากความสว่างของหลอดไฟ ขึ้นกับแรงเคลื่อนไฟฟ้าและอัตราส่วนระหว่างจำนวนรอบของขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิ แสดงว่า แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นในขดลวดมีความสัมพันธ์กับอัตราส่วนของจำนวนรอบของขดลวดทั้งสอง
ความสัมพันธ์ของแรงเคลื่อนไฟฟ้ากับจำนวนรอบของขดลวดเป็น ดังนี้ คือ
***********
*******E 1 = แรงเคลื่อนไฟฟ้าของขดลวดปฐมภูมิ
*******E 2 = แรงเคลื่อนไฟฟ้าของขดลวดทุติยภูมิ
*******N 1 = จำนวนรอบของขดลวดปฐมภูมิ
*******N 2 = จำนวนรอบของขดลวดทุติยภูมิ
หลักการดังกล่าวข้างต้น ได้ถูกนำมาสร้างเครื่องใช้ไฟฟ้าที่เรียกว่า หม้อแปลง ถ้าขดลวดทุติยภูมิมีแรงเคลื่อนไฟฟ้าสูงกว่าขดลวดปฐมภูมิจะได้หม้อแปลงขึ้น แต่ถ้าขดลวดทุติยภูมิมีแรงเคลื่อนไฟฟ้าต่ำกว่าปฐมภูมิจะได้หม้อแปลงลง
เนื่องจากหม้อแปลงทำหน้าที่ถ่ายโอนพลังงานไฟฟ้าจากขดลวดปฐมภูมิมายังขดลวดทุติยภูมิ ดังนั้น ถ้าไม่มีการสูญเสียพลังงานระหว่างการถ่ายโอนและใช้กฎการอนุรักษ์พลังงาน จะเห็นได้ว่า หม้อแปลงทำหน้าที่ถ่ายโอนพลังงานไฟฟ้าเท่านั้น และจะเปลี่ยนแปลงเฉพาะความต่างศักย์ แต่มิได้เปลี่ยนกำลังไฟฟ้า เพราะฉะนั้นในการเลือกใช้หม้อแปลง นอกจากจะต้องพิจารณาความต่างศักย์แล้วยังต้องพิจารณากำลังไฟฟ้าด้วย เช่น ต้องการใช้เตารีด 110 โวลต์ 600 วัตต์กับไฟฟ้า 220 โวลต์ ก็ต้องใช้หม้อแปลงลง 220 โวลต์เป็น 110 โวลต์ที่ให้กำลังไฟฟ้าไม่ต่ำกว่า 600 วัตต์ ด้วย
มิใช่ว่าจะใช้หม้อแปลง 220 โวลต์เป็น 110 โวลต์หรือเครื่องใดๆ ก็ได้ เพราะกำลังไฟฟ้าของหม้อแปลงน้อยกว่าของเครื่องใช้ หม้อแปลงนั้นอาจเสียหายได้
ถ้าไม่มีการสูญเสียพลังงานในหม้อแปลง จากการอนุรักษ์พลังงานจะได้ว่า
พลังงานไฟฟ้าของขดลวดปฐมภูมิ W1 = พลังงานไฟฟ้าของขดลวดทุติยภูมิ W2
ในเวลา t หากำลังไฟฟ้าของขดลวดทั้งสองได้ดังนี้
********
*******P1 และ P2 เป็นกำลังไฟฟ้าในขดลวดปฐมภูมิและทุติยภูมิ
*******I1 และ I2 เป็นกระแสไฟฟ้าในขดลวดปฐมภูมิและทุติยภูมิ
*******V1 เป็นความต่างศักย์ระหว่างปลายทั้งสองของขดลวดปฐมภูมิ
*******V2 เป็นความต่างศักย์ระหว่างปลายทั้งสองของขดลวดทุติยภูมิ
เนื่องจากหม้อแปลงทั่วไปต้องมีแกนเหล็ก เพื่อให้ฟลักซ์แม่เหล็กผ่านจากขดลวดปฐมภูมิไปยังขดลวดทุติยภูมิ จึงมีความร้อนเกิดขึ้นภายในแกนเหล็ก เพราะขณะที่ฟลักซ์แม่เหล็กจากขดลวดปฐมภูมิผ่านตามแกนเหล็กมายังขดลวดทุติยภูมิ จะมีกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำเกิดขึ้นในแกนเหล็ก ซึ่งเรียกว่า กระแสวน เป็นผลให้แกนเหล็กร้อน จึงทำให้กำลังไฟฟ้าที่ได้จากขดลวดทุติยภูมิน้อยกว่ากำลังไฟฟ้าที่ขดลวดปฐมภูมิเสมอ เพื่อลดการสุญเสียพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานความร้อนในแกนเหล็กอันเนื่องจากกระแสวน จึงต้องออกแบบแกนเหล็กให้มีกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำเกิดขึ้นน้อยที่สุด ซึ่งทำได้โดยการใช้แผ่นเหล็กอ่อนหลายๆ แผ่นซ้อนกัน และมีฉนวนบางๆ กั้นระหว่างแผ่นเหล็กแต่ละคู่แทนการใช้แกนเหล็กทั้งแท่ง หม้อแปลงที่มีคุณภาพดีจะมีความร้อนดังกล่าวเกิดขึ้นน้อย
ขดลวดที่ต่อกับแหล่งกำเนิดไฟฟ้าเรียกว่า ขดลวดปฐมภูมิ ส่วนขดลวดอีกขดหนึ่งที่ต่อกับเครื่องใช้ไฟฟ้า เรียกว่า ขดลวดทุติยภูมิ เมื่อกระแสไฟฟ้าสลับผ่านขดลวดปฐมภูมิ จะมีฟลักซ์แม่เหล็กที่มีค่าเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้น และเมื่อฟลักซ์แม่เหล็กนี้ถูกผ่านไปยังขดลวดทุติยภูมิก็ทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำในขดลวดทุติยภูมิ ทำให้หลอดไฟสว่าง แสดงว่ามีกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำเกิดขึ้นด้วย เนื่องจากความสว่างของหลอดไฟ ขึ้นกับแรงเคลื่อนไฟฟ้าและอัตราส่วนระหว่างจำนวนรอบของขดลวดปฐมภูมิและขดลวดทุติยภูมิ แสดงว่า แรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นในขดลวดมีความสัมพันธ์กับอัตราส่วนของจำนวนรอบของขดลวดทั้งสอง
ความสัมพันธ์ของแรงเคลื่อนไฟฟ้ากับจำนวนรอบของขดลวดเป็น ดังนี้ คือ
***********
*******E 1 = แรงเคลื่อนไฟฟ้าของขดลวดปฐมภูมิ
*******E 2 = แรงเคลื่อนไฟฟ้าของขดลวดทุติยภูมิ
*******N 1 = จำนวนรอบของขดลวดปฐมภูมิ
*******N 2 = จำนวนรอบของขดลวดทุติยภูมิ
หลักการดังกล่าวข้างต้น ได้ถูกนำมาสร้างเครื่องใช้ไฟฟ้าที่เรียกว่า หม้อแปลง ถ้าขดลวดทุติยภูมิมีแรงเคลื่อนไฟฟ้าสูงกว่าขดลวดปฐมภูมิจะได้หม้อแปลงขึ้น แต่ถ้าขดลวดทุติยภูมิมีแรงเคลื่อนไฟฟ้าต่ำกว่าปฐมภูมิจะได้หม้อแปลงลง
เนื่องจากหม้อแปลงทำหน้าที่ถ่ายโอนพลังงานไฟฟ้าจากขดลวดปฐมภูมิมายังขดลวดทุติยภูมิ ดังนั้น ถ้าไม่มีการสูญเสียพลังงานระหว่างการถ่ายโอนและใช้กฎการอนุรักษ์พลังงาน จะเห็นได้ว่า หม้อแปลงทำหน้าที่ถ่ายโอนพลังงานไฟฟ้าเท่านั้น และจะเปลี่ยนแปลงเฉพาะความต่างศักย์ แต่มิได้เปลี่ยนกำลังไฟฟ้า เพราะฉะนั้นในการเลือกใช้หม้อแปลง นอกจากจะต้องพิจารณาความต่างศักย์แล้วยังต้องพิจารณากำลังไฟฟ้าด้วย เช่น ต้องการใช้เตารีด 110 โวลต์ 600 วัตต์กับไฟฟ้า 220 โวลต์ ก็ต้องใช้หม้อแปลงลง 220 โวลต์เป็น 110 โวลต์ที่ให้กำลังไฟฟ้าไม่ต่ำกว่า 600 วัตต์ ด้วย
มิใช่ว่าจะใช้หม้อแปลง 220 โวลต์เป็น 110 โวลต์หรือเครื่องใดๆ ก็ได้ เพราะกำลังไฟฟ้าของหม้อแปลงน้อยกว่าของเครื่องใช้ หม้อแปลงนั้นอาจเสียหายได้
ถ้าไม่มีการสูญเสียพลังงานในหม้อแปลง จากการอนุรักษ์พลังงานจะได้ว่า
พลังงานไฟฟ้าของขดลวดปฐมภูมิ W1 = พลังงานไฟฟ้าของขดลวดทุติยภูมิ W2
ในเวลา t หากำลังไฟฟ้าของขดลวดทั้งสองได้ดังนี้
********
*******P1 และ P2 เป็นกำลังไฟฟ้าในขดลวดปฐมภูมิและทุติยภูมิ
*******I1 และ I2 เป็นกระแสไฟฟ้าในขดลวดปฐมภูมิและทุติยภูมิ
*******V1 เป็นความต่างศักย์ระหว่างปลายทั้งสองของขดลวดปฐมภูมิ
*******V2 เป็นความต่างศักย์ระหว่างปลายทั้งสองของขดลวดทุติยภูมิ
เนื่องจากหม้อแปลงทั่วไปต้องมีแกนเหล็ก เพื่อให้ฟลักซ์แม่เหล็กผ่านจากขดลวดปฐมภูมิไปยังขดลวดทุติยภูมิ จึงมีความร้อนเกิดขึ้นภายในแกนเหล็ก เพราะขณะที่ฟลักซ์แม่เหล็กจากขดลวดปฐมภูมิผ่านตามแกนเหล็กมายังขดลวดทุติยภูมิ จะมีกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำเกิดขึ้นในแกนเหล็ก ซึ่งเรียกว่า กระแสวน เป็นผลให้แกนเหล็กร้อน จึงทำให้กำลังไฟฟ้าที่ได้จากขดลวดทุติยภูมิน้อยกว่ากำลังไฟฟ้าที่ขดลวดปฐมภูมิเสมอ เพื่อลดการสุญเสียพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานความร้อนในแกนเหล็กอันเนื่องจากกระแสวน จึงต้องออกแบบแกนเหล็กให้มีกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำเกิดขึ้นน้อยที่สุด ซึ่งทำได้โดยการใช้แผ่นเหล็กอ่อนหลายๆ แผ่นซ้อนกัน และมีฉนวนบางๆ กั้นระหว่างแผ่นเหล็กแต่ละคู่แทนการใช้แกนเหล็กทั้งแท่ง หม้อแปลงที่มีคุณภาพดีจะมีความร้อนดังกล่าวเกิดขึ้นน้อย
กระแสวนในแกนเหล็ก
การส่งกำลังไฟฟ้าของโรงไฟฟ้ามักใช้หม้อแปลงขึ้น เพื่อให้ความต่างศักย์จากโรงไฟฟ้าสูงขึ้นแล้วส่งไฟฟ้าไปตามสายจนกระทั่งก่อนถึงผู้ใช้จึงใช้หม้อแปลงลงให้เหลือความต่างศักย์ 220 โวลต์ สำหรับใช้ตามบ้าน เครื่องใช้ไฟฟ้าที่ใช้ความต่างศักย์ไฟฟ้า 220 โวลต์ โดยตรง ได้แก่ หลอดไฟฟ้า เตารีดไฟฟ้า เป็นต้น แต่ก็มีเครื่องใช้ไฟฟ้าบางชนิดที่ใช้ความต่างศักย์น้อยกว่า 220 โวลต์ เครื่องเล่นแผ่นดิสก์ และเครื่องโทรศัพท์เคลื่อนที่ เป็นต้น ดังนั้น จึงต้องมีหม้อแปลงลง เพื่อลดความต่างศักย์จาก 220 โวลต์ เป็น 6, 9 หรือ 12 โวลต์ ขึ้นอยู่กับการทำงานของเครื่องนั้นๆ ในเรื่องไฟฟ้าและแม่เหล็ก 1 ได้เคยใช้หม้อแปลงโวลต์ต่ำ โดยลดความต่างศักย์จาก 220 โวลต์ เหลือ 2-12 โวลต์ ทั้งนี้ก็ขึ้นกับความเหมาะสมของกิจกรรมแต่ละครั้ง
เครื่องใช้ไฟฟ้าบางชนิดต้องการกระแสไฟฟ้ามาก เช่น หัวแรงไฟฟ้าแบบปืน หรือเครื่องใช้ไฟฟ้า เป็นต้น จึงต้องมีหม้อแปลงลงเพื่อลดความต่างศักย์ โดยให้ขดลวดทุติยภูมิมีจำนวนรอบน้อยกว่าขดลวดปฐมภูมิมากๆ ก็จะทำให้กระแสไฟฟ้าที่ขดลวดทุติยภูมิมีค่ามาก ดังนั้นขดลวดทุติยภูมิของเครื่องใช้ไฟฟ้าเหล่านี้จึงต้องใช้สายไฟขนาดใหญ่
เนื่องจากกระสไฟฟ้าเหนี่ยวนำเกิดจากฟลักซ์แม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงพุ่งผ่านขดลวดตัวนำ ในทางกลับกัน ถ้าเราให้ไฟฟ้ากระแสตรงที่เปลี่ยนแปลงในขดลวดปฐมภูมิโดยการปิดและเปิดสวิตซ์สลับกันเป็นจังหวะ ก็จะทำให้ได้ฟลักซ์แม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงผ่านไปยังขดลวดทุติยภูมิและสามารถทำให้กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำได้เช่นเดียวกัน
เครื่องใช้ไฟฟ้าเช่นนี้ ได้แก่ เครื่องจ่ายไฟฟ้าศักย์สูงสำหรับการจุดระเบิดในเครื่องยนต์เบนซีน วงจรนี้ทำงานโดยให้กระแสไฟฟ้ากระแสตรงจากแบตเตอรี่ผ่านเข้าขดลวดปฐมภูมิเป็นจังหวะๆ ด้วยการปิดและเปิดวงจรไฟฟ้าอย่างรวดเร็วตามจังหวะการหมุนของเพลาเครื่องยนต์ ก็จำทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำที่มีค่าสูงในขดลวดทุติยภูมิได้ หลักการแสดงดังรูป
วงจรไฟฟ้าของเครื่องจ่ายไฟฟ้าศักย์สูง
ในการต่อตัวต้านทานเข้ากับเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ จะมีกระแสไฟฟ้าผ่านตัวต้านทาน และความต่างศักย์ระหว่างปลายทั้งสองของตัวต้านทานจะเปลี่ยนค่าตามกาลเวลา การเปลี่ยนค่าลักษณะนี้เป็นการเปลี่ยนค่าในรูปฟังก์ชันไซน์ ซึ่งในกรณีความต่างศักย์ที่ได้จากเครื่องกำเนิดไฟฟ้า หากใช้กฎของฟาราเดย์และกฎของเลนซ์จะได้ว่า
*******
ค่า ω จะบอให้ทราบคาบ (T) และความถี่ (f) ในการเปลี่ยนแปลงค่าซ้ำเดิมของแรงเคลื่อนไฟฟ้า ซึ่งมีความสัมพันธ์กันเช่นเดียวกับอัตราเร็วเชิงมุม คาบและความถี่การหมุนของขดลวด ดังสมการ
*******
โดย ω มีหน่วยเป็นเรเดียนต่อวินาที T มีหน่วยเป็นวินาที และ f มีหน่วยเป็นรอบต่อวินาที หรือเฮิรตซ์ (Hz)
แรงเคลื่อนไฟฟ้าข้างต้น ถ้านำไปต่อกับตัวต้านทาน จะมีกระแสไฟฟ้าผ่านตัวต้านทานและความต่างศักย์ระหว่างปลายของตัวต้านทานเปลี่ยนค่าตามเวลาในฟังก์ชันไซน์ เช่นกันดังสมการ
*******
เมื่อ i และ v เป็นกระแสไฟฟ้าและความต่างศักย์ที่เวลา t ใดๆ
Im และ Vm เป็นกระแสไฟฟ้าสูงสุดและความต่างศักย์สูงสุด
ค่าของ i และ V ยังคงสัมพันธ์กันตามกฎของโอห์ม คือ
*******
การเปลี่ยนค่าที่ขึ้นกับเวลาและความต่างศักย์ของไฟฟ้ากระแสสลับ ทำให้กำลังไฟฟ้าที่จ่ายให้ตัวต้านทานมีค่าที่ขึ้นกับเวลาด้วย คือ
*******
โดยค่าของกระแสไฟฟ้า ความต่างศักย์ และกำลังไฟฟ้ามีการเปลี่ยนแปลงตามเวลาเป็นดังกราฟ
*******
ค่า ω จะบอให้ทราบคาบ (T) และความถี่ (f) ในการเปลี่ยนแปลงค่าซ้ำเดิมของแรงเคลื่อนไฟฟ้า ซึ่งมีความสัมพันธ์กันเช่นเดียวกับอัตราเร็วเชิงมุม คาบและความถี่การหมุนของขดลวด ดังสมการ
*******
โดย ω มีหน่วยเป็นเรเดียนต่อวินาที T มีหน่วยเป็นวินาที และ f มีหน่วยเป็นรอบต่อวินาที หรือเฮิรตซ์ (Hz)
แรงเคลื่อนไฟฟ้าข้างต้น ถ้านำไปต่อกับตัวต้านทาน จะมีกระแสไฟฟ้าผ่านตัวต้านทานและความต่างศักย์ระหว่างปลายของตัวต้านทานเปลี่ยนค่าตามเวลาในฟังก์ชันไซน์ เช่นกันดังสมการ
*******
เมื่อ i และ v เป็นกระแสไฟฟ้าและความต่างศักย์ที่เวลา t ใดๆ
Im และ Vm เป็นกระแสไฟฟ้าสูงสุดและความต่างศักย์สูงสุด
ค่าของ i และ V ยังคงสัมพันธ์กันตามกฎของโอห์ม คือ
*******
การเปลี่ยนค่าที่ขึ้นกับเวลาและความต่างศักย์ของไฟฟ้ากระแสสลับ ทำให้กำลังไฟฟ้าที่จ่ายให้ตัวต้านทานมีค่าที่ขึ้นกับเวลาด้วย คือ
*******
โดยค่าของกระแสไฟฟ้า ความต่างศักย์ และกำลังไฟฟ้ามีการเปลี่ยนแปลงตามเวลาเป็นดังกราฟ
 |
จากกราฟ จะเห็นว่า ค่าเฉลี่ยของกระแสไฟฟ้าและความต่างศักย์ในหนึ่งคาบมีค่าเป็นศูนย์ แต่ค่าเฉลี่ยของกำลังไฟฟ้ามีค่าเป็นบวก
*******
ในที่นี้ P เป็นกำลังไฟฟ้าเฉลี่ยที่มีค่าคงตัวและค่านี้ขึ้นกับกระแสไฟฟ้าสูงสุดหรือความต่างศักย์สูงสุด
นอกจากนี้ ถ้าพิจารณากราฟการเปลี่ยนค่าของกำลังสองของกระแสไฟฟ้า (และความต่างศักย์) ซึ่งมีการเปลี่ยนแปลงตามเวลาเป็นกราฟดังรูป ค่าเฉลี่ยยของกำลังสองของกระแสไฟฟ้า (และความต่างศักย์) จะมีค่าเป็น
*******
เมื่อ (i 2)เฉลี่ย และ (V 2)เฉลี่ย เป็นค่าเฉลี่ยของกำลังสองของกระแสไฟฟ้าและความต่างศักย์ ซึ่งมีค่าคงตัวที่ขึ้นกับกระแสไฟฟ้าสูงสุดและความต่างศักย์สูงสุดตามลำดับ
กราฟแสดงไฟฟ้า i และกำลังสองของกระแสไฟฟ้า i เมื่อเทียบกับเวลา t2
สมการที่ (10) และ (11) แสดงว่า สามารถคำนวณหากำลังไฟฟ้าเฉลี่ยที่จ่ายให้ตัวต้านทานที่มีความต้านทาน R ได้จาก
*******
V rma และ I rms ดังกล่าวเป็นค่าคงตัว ค่าทั้งสองนี้สามารถเปรียบเทียบได้กับความต่างศักย์ V และกระแสไฟฟ้า I (ของไฟฟ้าตรง) ตามลำดับ เพราะให้พลังงานแก่ความต้านทานค่าเดียวกันในอัตราเดียวกัน จึงเรียกได้ว่าเป็น ค่ายังผล สามารถนำค่าดังกล่าวมาออกแบบมิเตอร์วัดได้ จึงเรียกได้ว่า เป็น ค่ามิเตอร์ นั่นเอง เป็นมิเตอร์ที่ใช้วัดความต่างศักย์หรือกระแสไฟฟ้าของไฟฟ้ากระแสสลับ ค่าที่อ่านได้จากมิเตอร์ โดยทั่วไปจะเป็นค่า rms เช่น ไฟฟ้ากระแสสลับที่ใช้ในบ้านเมื่อวัดด้วยมิเตอร์อ่านค่าได้ 220 โวลต์ แสดงว่า V rms ของไฟฟ้ากระแสสลับในบ้านมีค่า 220 โวลต์ (สามารถนำค่านี้ไปหาค่าสูงสุดได้จาก สมการ V rms =
ซึ่งในกรณีนี้ V m จะเท่ากับ 
= 311 โวลต์) การคำนวณทำนองนี้สามารถหากระแสไฟฟ้าสูงสุด I m จาก I rms ได้ตัวอย่างที่ 2 แอมมิเตอร์กระแสสลับวัดกระแสไฟฟ้าได้ 10 มิลลิแอมแปร์ จงหากระแสไฟฟ้าสูงสุด
คำตอบ กระแสไฟฟ้าสูงสุดเท่ากับ 14 มิลลิแอมแปร์
เราได้ศึกษากำลังไฟฟ้าของไฟฟ้ากระแสสลับในกรณีต่อแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากับตัวต้านทานที่มีความต้านทาน R ทำให้ทราบความหมายของค่า rms ของไฟฟ้ากระแสสลับ ต่อไปนี้เราก็จะศึกษาค่านี้กันต่อ สำหรับการต่อแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับกับตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุ และตัวเหนี่ยวนำ ดังนี้
ตัวต้านทานในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ
ในการต่อแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับเข้ากับตัวต้านทานที่มีความต้านทาน R ในวงจร เมื่อ Θ เป็นสัญลักษณ์แทนแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ
*******ถ้าความต่างศักย์ของตัวต้านทานมีค่าเป็น
***************v = V sin ω t
*******จากกฎของโอห์ม จะได้
*******
แสดงค่า v และ i ดังกล่าว เป็นกราฟได้ดังรูป
ตัวต้านทานในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับในการต่อแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับเข้ากับตัวต้านทานที่มีความต้านทาน R ในวงจร เมื่อ Θ เป็นสัญลักษณ์แทนแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ
*******ถ้าความต่างศักย์ของตัวต้านทานมีค่าเป็น
***************v = V sin ω t
*******จากกฎของโอห์ม จะได้
*******
แสดงค่า v และ i ดังกล่าว เป็นกราฟได้ดังรูป
 |
จากรูปแสดงว่า กระแสไฟฟ้าที่ผ่านตัวต้านทาน และความต่างศักย์ระหว่างปลายของตัวต้านทานก็มีค่าสูงสุดพร้อมกันและมีค่าศูนย์พร้อมกัน คือมีเฟสตรงกัน จึงกล่าวได้ว่า ในกรณีตัวต้านทาน กระแสไฟฟ้าสลับและความต่างศักย์สลับมีเฟสเดียวกัน
ตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับในวงจรที่มีเฉพาะตัวต้านทาน กระแสไฟฟ้าสลับและความต่างศักย์สลับมีเฟสเดียวกัน ในตอนนี้จะได้ศึกษาต่อไปว่า ในวงจรที่มีตัวเก็บประจุและในวงจรที่มีตัวเหนี่ยวนำ กระแสไฟฟ้าสลับและความต่างศักย์สลับจะมีเฟสอย่างไร
ต่อตัวต้านทานและตัวเห็บประจุแบบอนุกรมเข้ากับวงจรไฟฟ้ากระแสสลับที่มีความต่างศักย์ 6 โวลต์ แล้วใช้ออสศิลโลสโคปแบบสองช่องตรวจดูรูปคลื่น ให้ช่องหนึ่งต่อคร่อม R อีกช่องหนึ่งต่อคร่อม C ปรับจนได้รูปคลื่นปรากฏภาพบนจอ จะได้ภาพแสดงความต่างศักย์คร่อม R มีเฟสนำความต่างศักย์คร่อม C เป็นมุม 90 องศา และโดยที่กระแสไฟฟ้าผ่าน R มีเฟสเดียวกับความต่างศักย์คร่อม R แต่กระแสไฟฟ้านี้ผ่านตัวเก็บประจุด้วย แสดงว่าในกรณีเก็บประจุ กระแสไฟฟ้าที่ผ่านตัวเก็บประจุมีเฟสนำความต่างศักย์คร่อมตัวเก็บประจุเท่ากับ 90 องศา
 |
สำหรับกรณีตัวเหนี่ยวนำในวงจร โดยใช้วิธีเดียวกับข้างต้น แต่เปลี่ยนตัวเก็บประจุเป็นตัวเหนี่ยวนำ คือ ต่อวงจรดังรูป เมื่อใช้ออสซิลโลสโคปตรวจดูคลื่น จะได้รูปคลื่น ขณะที่ความต่างศักย์คร่อม R จะมีเฟสความต่างศักย์คร่อม L เป็นมุมน้อยกว่า 90 องศา เนื่องจากตามปกติ ตัวเหนี่ยวนำมีความต้านทานด้วย แต่ในกรณีที่ตัวเหนี่ยวนำไม่มีความต้านทาน การทดลองแสดงว่า ความต่างศักย์คร่อม R มีเฟสตามความต่างศักย์คร่อม L เท่ากับ 90 องศา สรุปได้ว่า ในกรณีวงจรมีตัวเหนี่ยวนำ กระแสไฟฟ้าที่ผ่านตัวเหนี่ยวนำจะมีเฟสตามความต่างศักย์คร่อมตัวเหนี่ยวนำเป็นมุม 90 องศา
จากความสัมพันธ์เชิงเฟสระหว่างกระแสไฟฟ้าและความต่างศักย์ในกรณีตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำดังกล่าว ยังระบุไม่ได้ว่า ค่าทั้งสองสัมพันธ์กันอย่างไร ซึ่งในกรณีความต้านทาน ทราบแล้วว่า กระแสไฟฟ้าและความต่างศักย์มีความสัมพันธ์กันตามกฎของโอห์ม โดยอัตราส่วนระหว่างความต่างศักย์กับกระแสไฟฟ้าเป็นดังสมการ (9) เมื่อใช้ความสัมพันธ์นี้พิจารณา กรณีตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำ และทดลองหาความสัมพันธ์ลักษณะนี้ จะพบว่า ในวงจรไฟฟ้ากรแสสลับที่ความถี่คงตัว อัตราส่วนระหว่างความต่างศักย์ต่อกระแสไฟฟ้าเป็นไปตามกของโอห์มเช่นกัน กล่าวคือ
*******
X C และ X L ที่ปรากฏแทนตำแหน่ง R ในกฎของโอห์ม มีชื่อเรียกว่า ความต้านทานจินตภาพของความจุ (capacitive reactance) และความต้านทานจินตภาพของความเหนี่ยวนำ (inductive reactance) ตามลำดับ ค่าทั้งสอง (X C และ X L) มีหน่วยเป็นโอห์มเช่นกัน สำหรับ X C และ X L ดังกล่าว ถ้าทำการทดลองหา โดยการเปลี่ยนความถี่ของไฟฟ้ากระแสสลับของแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสสลับที่จ่ายให้แก่วงจร แต่ไม่เปลี่ยนค่า C และ L จะพบว่า X C แปรผกผันกับความถี่ แต่ X L แปรผันตรงกับความถี่ ดังกราฟรูป ก. และ ข. ตามลำดับ นอกจากนี้ ถ้าทำการทดลองต่อไปโดยเปลี่ยนค่า C และ L (แต่ไม่เปลี่ยนความถี่) จะพบว่า X C แปรผกผันกับ C และ X L แปรผกผันกับ L จึงได้กราฟความสัมพันธ์เช่นเดียวกับในกรณีการเปลี่ยนความถี
่
กราฟแสดงความสัมพันธ์ (ซ้าย) Xc กับ f และ (ขวา) XL กับ f
กราฟแสดงความสัมพันธ์ (ซ้าย) Xc กับ f และ (ขวา) XL กับ f
 |
จากความสัมพันธ์ข้างต้นแสดงว่า
*******
ซึ่งสอดคล้องกับความสัมพันธ์ที่ได้จากการทดลองที่ผ่านมาแล้ว
จากสมการที่ (3), (4) และ (5) เมื่อทราบกระแสไฟฟ้าและความต่างศักย์ในวงจร สามารถคำนวณหาความต้านทาน R ความต้านทานจินตภาพของความจุ X C หรือ ความต้านทานจินตภาพของความเหนี่ยวนำ X L ได้ ดังตัวอย่างต่อไปนี้
ตัวอย่างที่ 3 ในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับที่ประกอบด้วยตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำซึ่งต่อแบบอนุกรม และต่อกับแหล่งกำเนิดกระแสสลับโดยมีแอมมิเตอร์วัดกระแสสลับ และโวลต์มิเตอร์วัดความต่างศักย์สลับในวงจร ถ้าแอมมิเตอร์วัดกระแสไฟฟ้าได้ 5.0 มิลลิแอมแปร์ โวลต์มิเตอร์วัดความต่างศักย์ระหว่างปลายของตัวต้านทาน ตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำได้ 4.0, 6.0 และ 3.0 โวลต์ตามลำดับ จงหาความต้านทาน ความต้านทานจินตภาพของความจุ และความต้านทานจินตภาพของความเหนี่ยวนำของวงจร
วิธีทำ การต่อแบบอนุกรมแสดงว่ากระแสไฟฟ้าที่ผ่านตัวต้านทาน ตัวเห็บประจุและตัวเหนี่ยวนำมีค่าเดียวกัน คือ เท่ากับ 5.0 มิลลิแอมแปร์ ในวงจรนี้จึงมีค่า I rms = 5.0mA จากการวัดความต่างศักย์ระหว่างปลายของตัวต้านทานเท่ากับ 4.0 โวลต์ แสดงว่า
*******
จากการวัดความต่างศักย์ระหว่างปลายของตัวเก็บประจุเท่ากับ 6.0 โวลต์ แสดงว่า
*******
จากการวัดความต่างศักย์ระหว่างปลายของตัวเหนี่ยวนำเท่ากับ 3.0 โวลต์ แสดงว่า
*******
คำตอบ ความต้านทาน ความต้านทานจินตภาพของความจุ และความต้านทานจินตภาพของความเหนี่ยวนำของวงจรเท่ากับ 800 โอห์ม และ 600 โอห์ม ตามลำดับ
จากความสัมพันธ์ระหว่างกระแสไฟฟ้าและความต่างศักย์ดังกล่าว หากนำปริมาณทั้งขนาดและเฟสมาพิจารณาประกอบกัน จะเขียนค่าของกระแสไฟฟ้าและความต่างศักย์เทียบกับเวลาในรูปของฟังก์ชันไซน์ ในแต่ละกรณีดังนี้
พิจารณาความต่างศักย์ของแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับที่จ่ายกระแสไฟฟ้าให้แก่วงจรมีค่าเป็น
******** v = V m sin ωt
ในกรณีตัวต้านทานจะได้ กระแสไฟฟ้าที่ผ่าน
*******
******เนื่องจากกระแสไฟฟ้าเฟสเดียวกับความต่างศักย์
******แต่ในกรณีตัวเก็บประจุ จะได้
*******
เนื่องจากกระแสไฟฟ้ามีเฟสนำความต่างศักย์เป็นมุม
เรเดียนในกรณีตัวเหนี่ยวนำ จะได้
*******
เนื่องจากกระแสไฟฟ้ามีเฟสตามความต่างศักย์เป็นมุม
เรเดียนความสัมพันธ์เหล่านี้ใช้หากระแสไฟฟ้าหรือความต่างศักย์ของตัวต้านทาน ตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุ เมื่อเวลา t ได้ แสดงเป็นกราฟได้ดังรูป
 |
ถ้าพิจารณากำลังไฟฟ้าในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับขณะเวลา t จะมีค่าเป็น
**********p = iv
หรือ *******p = i 2R
**********i = I m sin ωt
**********ดังนั้น p = I m2 R sin2 ωt
**********p = iv
หรือ *******p = i 2R
**********i = I m sin ωt
**********ดังนั้น p = I m2 R sin2 ωt
 |
 |
****
สมการ (18) สามารถใช้ได้กับเครื่องใช้ไฟฟ้าทั่วไปในบ้านพักอาศัยที่ใช้ไฟฟ้ากระแสสลับเป็นแหล่งพลังงาน เช่น หม้อหุงข้าวไฟฟ้า พัดลม ตู้เย็น โทรทัศน์ เตาไฟฟ้า ฯลฯ เพราะกำลังคิดกำลังไฟฟ้าเฉลี่ย ถือว่าเครื่องใช้ไฟฟ้าเหล่านี้มีเฟสของกระแสไฟฟ้าตรงกับเฟสของความต่างศักย์
สำหรับโรงงานอุตสาหกรรมที่ใช้มอเตอร์ไฟฟ้าขนาดใหญ่ ขดลวดตัวนำที่ใช้ทำมอเตอร์จะมีค่าเหนี่ยวนำสูง จนสามารถทำให้เฟสของกระแสไฟฟ้าไม่ตรงกับเฟสของความต่างศักย์ การคิดค่ากำลังไฟฟ้าเฉลี่ย จึงต้องคำนึงถึงความแตกต่างระหว่างเฟสของกระแสไฟฟ้าที่ไม่ตรงกับเฟสของความต่างศักย์ ดังสมการ (19)
****
****เมื่อ P เป็นกำลังไฟฟ้าเฉลี่ย
****I เป็นกระแสไฟฟ้า rms
****V เป็นความต่างศักย์ rms
****cos θ เป็นตัวประกอบกำลัง
ในกรณีที่เฟสของกระแสไฟฟ้าตรงกับเฟสของความต่างศักย์ไฟฟ้า ค่ามุม θ เป็นศูนย์ทำให้ค่า cos θ เท่ากับหนึ่ง จะได้กำลังไฟฟ้าเฉลี่ยเป็น P = IV ซึ่งเป็นจริงสำหรับการใช้เครื่องใช้ไฟฟ้าต่างๆ ในบ้านพักอาศัย ส่วนโรงงานอุตสาหกรรมที่ใช้มอเตอร์ไฟฟ้าขนาดใหญ่เฟสของกระแสไฟฟ้าไม่ตรงกับเฟสของความต่างศักย์ ค่ามุม θ ไม่เป็นศูนย์ ทำให้ค่า cos θ น้อยกว่าหนึ่ง ค่ากำลังไฟฟ้าเฉลี่ยจะน้อยกว่า P = IV
ดังนั้นการไฟฟ้าจึงพยายามแนะนำให้โรงงานอุตสาหกรรมที่ใช้มอเตอร์ไฟฟ้าขนาดใหญ่ติดตั้งอุปกรณ์สำหรับปรับค่าความแตกต่างระหว่างเฟสของกระแสไฟฟ้ากับเฟสของความต่างศักย์ให้มีค่าลดลง ผลก็คือทำให้เฟสทั้งสองใกล้กัน สำหรับโรงงานอุตสาหกรรมที่ไม่ได้ติดตั้งอุปกรณ์ดังกล่าว จะมีการคิดค่าไฟฟ้าแบบพิเศษ
ตัวเลขบอกความต่างศักย์และกำลังไฟฟ้าของเครื่องใช้ไฟฟ้า
เครื่องใช้ไฟฟ้าในบ้านโดยทั่วไปใช้พลังงานไฟฟ้าจากแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับ โดยพลังงานไฟฟ้าถูกส่งจากโรงไฟฟ้าไปตามสายส่งด้วยความต่างศักย์ที่เหมาะสม และมีการแปลงความต่างศักย์ตามเส้นทางเป็นระยะๆ จนในที่สุดก็ส่งเข้าด้วยความต่างศักย์ค่าหนึ่งเช่น ในประเทศไทยใช้ไฟฟ้าที่มีความต่างศักย์ 220 โวลต์
ตามปกติ เครื่องใช้ไฟฟ้าจะมีตัวเลขระบุความต่างศักย์และกำลังไฟฟ้าที่ใช้กับเครื่องใช้ไฟฟ้า ดังนั้นเพื่อให้เครื่องใช้งานได้ดีตามที่ระบุจะต้องต่อเครื่องใช้ไฟฟ้าเข้ากับความต่างศักย์ตามตัวเลขที่ระบุ โดยเมื่อความต่างศักย์ที่จ่ายให้เครื่องใช้ไฟฟ้าเป็นไปตามที่ระบุแล้ว กำลังไฟฟ้าของเครื่องใช้ไฟฟ้าก็จะเป็นไปตามตัวเลขที่ระบุ ซึ่งสามารถนำตัวเลขนี้ ไปคำนวณพลังงานไฟฟ้าที่ใช้และค่าอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องได้ โดยกำลังไฟฟ้าที่ระบุจะเป็นกำลังไฟฟ้าเฉลี่ยที่เครื่องใช้ไฟฟ้าได้รับตามสมการ (18) นั่นคือ ถ้าเครื่องใช้ไฟฟ้ามีตัวประกอบกำลังเท่ากับ 1 จะหากำลังไฟฟ้าเฉลี่ย P และพลังงานไฟฟ้า W ในเวลา t ได้ จากสมการ
*******P = IV
***และ W = Ivt
จากที่ทราบแล้วว่า กำลังไฟฟ้าเฉลี่ยที่ตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำมีค่าเป็นศูนย์ นั่นคือ กำลังไฟฟ้าเฉลี่ยของวงจร (เครื่องใช้ไฟฟ้า) จะเท่ากับกำลังไฟฟ้าเฉลี่ยที่ต้านทานเท่านั้น ดังนั้น ในการใช้กฎของโอห์มพิจารณา จะได้ความสัมพันธ์ทำนองเดียวกับความสัมพันธ์ในกรณีวงจรไฟฟ้ากระแสตรง ดังสมการ
เมื่อ R เป็นความต้านทานของเครื่องใช้ไฟฟ้า
สมการต่างๆ ดังกล่าวสามารถนำไปคำนวณค่าที่เกี่ยวข้องดังตัวอย่างต่อไปนี้
ตัวอย่างที่ 4 เมื่อต่อหม้อหุงข้าวไฟฟ้าขนาด 600 วัตต์ กับแหล่งกำเนิดไฟฟ้า 220 โวลต์ จงหา
ก. กระแสไฟฟ้าที่ผ่านหม้อหุงข้าว
ข. ความต้านทานของหม้อหุงข้าว
ค. พลังงานไฟฟ้าที่ใช้หุงข้าวเป็นเวลานาน 0.5 ชั่วโมง
ถ้าเครื่องใช้ไฟฟ้ามีตัวประกอบกำลังไม่เท่ากับ 1 จะหากำลังไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าได้จากสมการ P = IV cosθ นั่นคือ เครื่องใช้ไฟฟ้าที่ใช้กำลังไฟฟ้า P เมื่อต่อกับความต่างศักย์จะมีกระแสไฟฟ้าผ่านเท่ากับ
*********
แสดงว่า ในกรณีเครื่องใช้ไฟฟ้าที่มีกำลังไฟฟ้าเท่ากัน เครื่องใช้ไฟฟ้าที่มีตัวประกอบกำลังน้อยกว่าจะใช้กระแสไฟฟ้ามากกว่า ในการคำนวณหาค่าอื่นๆ จากสมการที่เกี่ยวข้องกับความต้านทาน R สามารถนำไปหา P และ W ในเทอมของกระแสไฟฟ้า I ได้เป็น
*********
เมื่อใช้ไฟฟ้าต้องเสียค่าไฟฟ้า ซึ่งคิดจากพลังงานไฟฟ้าที่ใช้ไป แต่หน่วยของพลังงานไฟฟ้าคือ จูล หรือ วัตต์ วินาที เป็นหน่วยที่เล็กจึงไม่เหมาะที่จะใช้สำหรับคำนวณพลังงานไฟฟ้าที่ใช้ไป ในทางปฏิบัติจึงคิดพลังงานไฟฟ้าเป็นกิโลวัตต์ชั่วโมง ที่ทั่วไปมักเรียกว่า หน่วย (UNIT)
1 หน่วย = 1 กิโลวัตต์ชั่วโมง
เราสามารถหาพลังงานไฟฟ้าที่เครื่องไฟฟ้าใช้ไฟดังนี้
พลังงานไฟฟ้า (หน่วย) = กำลังไฟฟ้า (กิโลวัตต์) x เวลาที่ใช้ไป (ชั่วโมง)
ในทางปฏิบัติผู้จำหน่ายไฟฟ้าใช้มาตรกิโลวัตต์-ชั่วโมงติดประจำบ้านเพื่อวัดพลังงานไฟฟ้าที่ใช้ไป โดยระบุพลังงานไฟฟ้าเป็นตัวเลขที่มีหน่วยเป็นกิโลวัตต์ชั่วโมง ซึ่งจะมีเจ้าหน้าที่มาจดจำนวนหน่วยที่ใช้ในแต่ละเดือน เพื่อนำไปคิดค่าไฟฟ้าต่อไป
ตามปกติ เครื่องใช้ไฟฟ้าจะมีตัวเลขระบุความต่างศักย์และกำลังไฟฟ้าที่ใช้กับเครื่องใช้ไฟฟ้า ดังนั้นเพื่อให้เครื่องใช้งานได้ดีตามที่ระบุจะต้องต่อเครื่องใช้ไฟฟ้าเข้ากับความต่างศักย์ตามตัวเลขที่ระบุ โดยเมื่อความต่างศักย์ที่จ่ายให้เครื่องใช้ไฟฟ้าเป็นไปตามที่ระบุแล้ว กำลังไฟฟ้าของเครื่องใช้ไฟฟ้าก็จะเป็นไปตามตัวเลขที่ระบุ ซึ่งสามารถนำตัวเลขนี้ ไปคำนวณพลังงานไฟฟ้าที่ใช้และค่าอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องได้ โดยกำลังไฟฟ้าที่ระบุจะเป็นกำลังไฟฟ้าเฉลี่ยที่เครื่องใช้ไฟฟ้าได้รับตามสมการ (18) นั่นคือ ถ้าเครื่องใช้ไฟฟ้ามีตัวประกอบกำลังเท่ากับ 1 จะหากำลังไฟฟ้าเฉลี่ย P และพลังงานไฟฟ้า W ในเวลา t ได้ จากสมการ
*******P = IV
***และ W = Ivt
จากที่ทราบแล้วว่า กำลังไฟฟ้าเฉลี่ยที่ตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำมีค่าเป็นศูนย์ นั่นคือ กำลังไฟฟ้าเฉลี่ยของวงจร (เครื่องใช้ไฟฟ้า) จะเท่ากับกำลังไฟฟ้าเฉลี่ยที่ต้านทานเท่านั้น ดังนั้น ในการใช้กฎของโอห์มพิจารณา จะได้ความสัมพันธ์ทำนองเดียวกับความสัมพันธ์ในกรณีวงจรไฟฟ้ากระแสตรง ดังสมการ
เมื่อ R เป็นความต้านทานของเครื่องใช้ไฟฟ้า
สมการต่างๆ ดังกล่าวสามารถนำไปคำนวณค่าที่เกี่ยวข้องดังตัวอย่างต่อไปนี้
ตัวอย่างที่ 4 เมื่อต่อหม้อหุงข้าวไฟฟ้าขนาด 600 วัตต์ กับแหล่งกำเนิดไฟฟ้า 220 โวลต์ จงหา
ก. กระแสไฟฟ้าที่ผ่านหม้อหุงข้าว
ข. ความต้านทานของหม้อหุงข้าว
ค. พลังงานไฟฟ้าที่ใช้หุงข้าวเป็นเวลานาน 0.5 ชั่วโมง
ถ้าเครื่องใช้ไฟฟ้ามีตัวประกอบกำลังไม่เท่ากับ 1 จะหากำลังไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าได้จากสมการ P = IV cosθ นั่นคือ เครื่องใช้ไฟฟ้าที่ใช้กำลังไฟฟ้า P เมื่อต่อกับความต่างศักย์จะมีกระแสไฟฟ้าผ่านเท่ากับ
*********
แสดงว่า ในกรณีเครื่องใช้ไฟฟ้าที่มีกำลังไฟฟ้าเท่ากัน เครื่องใช้ไฟฟ้าที่มีตัวประกอบกำลังน้อยกว่าจะใช้กระแสไฟฟ้ามากกว่า ในการคำนวณหาค่าอื่นๆ จากสมการที่เกี่ยวข้องกับความต้านทาน R สามารถนำไปหา P และ W ในเทอมของกระแสไฟฟ้า I ได้เป็น
*********
เมื่อใช้ไฟฟ้าต้องเสียค่าไฟฟ้า ซึ่งคิดจากพลังงานไฟฟ้าที่ใช้ไป แต่หน่วยของพลังงานไฟฟ้าคือ จูล หรือ วัตต์ วินาที เป็นหน่วยที่เล็กจึงไม่เหมาะที่จะใช้สำหรับคำนวณพลังงานไฟฟ้าที่ใช้ไป ในทางปฏิบัติจึงคิดพลังงานไฟฟ้าเป็นกิโลวัตต์ชั่วโมง ที่ทั่วไปมักเรียกว่า หน่วย (UNIT)
1 หน่วย = 1 กิโลวัตต์ชั่วโมง
เราสามารถหาพลังงานไฟฟ้าที่เครื่องไฟฟ้าใช้ไฟดังนี้
พลังงานไฟฟ้า (หน่วย) = กำลังไฟฟ้า (กิโลวัตต์) x เวลาที่ใช้ไป (ชั่วโมง)
ในทางปฏิบัติผู้จำหน่ายไฟฟ้าใช้มาตรกิโลวัตต์-ชั่วโมงติดประจำบ้านเพื่อวัดพลังงานไฟฟ้าที่ใช้ไป โดยระบุพลังงานไฟฟ้าเป็นตัวเลขที่มีหน่วยเป็นกิโลวัตต์ชั่วโมง ซึ่งจะมีเจ้าหน้าที่มาจดจำนวนหน่วยที่ใช้ในแต่ละเดือน เพื่อนำไปคิดค่าไฟฟ้าต่อไป
การจ่ายไฟฟ้าเข้าบ้านจะต้องใช้สายไฟ 2 สาย คือ สายหนึ่งมีศักย์ไฟฟ้าเป็นศูนย์เมื่อเทียบกับพื้นดิน เรียกว่า สายกลาง หรือ สาย N ส่วนอีกสายหนึ่งมีศักย์ไฟฟ้าไม่เป็นศูนย์ เมื่อเทียบกับพื้นดิน เรียกว่า สายมีศักย์ หรือ สาย L
 |
เราสามารถตรวจสอบสายส่งไฟฟ้าได้ว่าสายใดเป็นสาย N หรือ L โดยใช้ไขควงที่มีหลอดนีออนติดที่ด้ามสำหรับให้สัญญาณแสง เรียกว่า ไขควงตรวจสอบไฟฟ้า เมื่อเอาปลายไขควงแตะสายพลังงานไฟฟ้าเส้นหนึ่งหรือเต้ารับช่องหนึ่ง แล้วใช้นิ้วมือสัมผัสกับปลายบนสุดของไขควง ถ้าสายไฟเส้นนั้นเป็นสาย L หลอดนีออนจะเปล่งแสง ถ้าเป็นสาย N จะไม่มีแสงจากหลอดนีออน
สายส่งไฟฟ้านี้ก่อนจะเข้าบ้านต้องผ่านมาตรกิโลวัตต์ชั่วโมง แต่เมื่อเข้าบ้านแล้ว จะต้องต่ออุปกรณ์ไฟฟ้าอะไรบ้านและอย่างไร เพื่อให้วงจรไฟฟ้าในบ้านมีความถูกต้องและปลอดภัย
วงจรไฟฟ้าในบ้าน
แผงควบคุมไฟฟ้า
โดยปกติสาย L และสาย N ที่ต่อเข้าบ้านจะต่อกับแผงควบคุมไฟฟ้าซึ่งเป็นที่ควบคุมการจ่ายพลังงานไฟฟ้าทั้งหมดในบ้าน จากนั้นจึงมีสายไฟไปตามส่วนต่างๆ ของบ้านอย่างมีระบบ แผงควบคุมไฟฟ้าที่ติดตั้งภายในบ้านควรอยู่ในบริเวณที่มองเห็นได้ง่าย และอยู่สูงจากพื้นพอประมาณ และโดยปกตินั้นแผงควบคุมไฟฟ้ามักประกอบด้วยฟิวส์รวม สะพานไฟรวม และสะพานไฟย่อยด้วย ตามลำดับ
การที่แผงควบคุมไฟฟ้ามีสะพานไฟย่อยไว้เพื่อแยกและควบคุมการส่งพลังงานไฟฟ้าไปยังวงจรไฟฟ้าย่อยตามส่วนต่างๆ ของบ้าน เช่น วงจรชั้นล่าง วงจรชั้นบนหรือวงจรในครัว เป็นต้น แต่บางบ้านอาจมีแยกการควบคุมตามชนิดของเครื่องใช้ไฟฟ้า เช่น วงจรหลอดไฟ และวงจรเครื่องใช้ไฟฟ้าที่ต้องการกระแสไฟฟ้าสูง เป็นต้น ทั้งนี้ ก็เพื่อให้การใช้ไฟฟ้าแต่ละส่วนหรือทุกวงจรไฟฟ้าย่อยในบ้านเป็นอิสระต่อกัน เมื่อต้องการซ่อมอุปกรณ์หรือเครื่องใช้ไฟฟ้าสามารถตัดวงจรไฟฟ้าในบ้านทั้งหมดหรือบางส่วน โดยการยกสะพานไฟรวมหรือสะพานไฟย่อย
อุปกรณ์ที่ติดตั้งไว้บนแผงควบคุมไฟฟ้ามีรายละเอียดที่สำคัญอะไรไว้บ้าง จะได้ศึกษาต่อไปนี้ สะพานไฟ หรือเรียกกันทั่วไป คัทเอาท์ (cut-out) เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ตัดหรือต่อวงจรไฟฟ้าสายไฟทั้ง 2 เส้น แสดงลักษณะของสะพานไฟ
การที่แผงควบคุมไฟฟ้ามีสะพานไฟย่อยไว้เพื่อแยกและควบคุมการส่งพลังงานไฟฟ้าไปยังวงจรไฟฟ้าย่อยตามส่วนต่างๆ ของบ้าน เช่น วงจรชั้นล่าง วงจรชั้นบนหรือวงจรในครัว เป็นต้น แต่บางบ้านอาจมีแยกการควบคุมตามชนิดของเครื่องใช้ไฟฟ้า เช่น วงจรหลอดไฟ และวงจรเครื่องใช้ไฟฟ้าที่ต้องการกระแสไฟฟ้าสูง เป็นต้น ทั้งนี้ ก็เพื่อให้การใช้ไฟฟ้าแต่ละส่วนหรือทุกวงจรไฟฟ้าย่อยในบ้านเป็นอิสระต่อกัน เมื่อต้องการซ่อมอุปกรณ์หรือเครื่องใช้ไฟฟ้าสามารถตัดวงจรไฟฟ้าในบ้านทั้งหมดหรือบางส่วน โดยการยกสะพานไฟรวมหรือสะพานไฟย่อย
อุปกรณ์ที่ติดตั้งไว้บนแผงควบคุมไฟฟ้ามีรายละเอียดที่สำคัญอะไรไว้บ้าง จะได้ศึกษาต่อไปนี้ สะพานไฟ หรือเรียกกันทั่วไป คัทเอาท์ (cut-out) เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ตัดหรือต่อวงจรไฟฟ้าสายไฟทั้ง 2 เส้น แสดงลักษณะของสะพานไฟ
ตัวอย่างวงจรไฟฟ้าภายในบ้าน
สะพานไฟตัวหนึ่งตามปกติจะมีเลขบอกค่ากระแสไฟฟ้าสูงสุดและความต่างศักย์สูงสุด ถ้ากระแสไฟฟ้าผ่านมากกว่าค่าที่กำหนดไว้ สะพานไฟจะร้อนจนไหม้ได้ หรือถ้าใช้สะพานไฟกับความต่างศักย์ที่สูงกว่าค่าที่กำหนดไว้ก็จะทำให้กระแสไฟฟ้ารั่วระหว่างขั้วของสะพานไฟได้ เพื่อป้องกันอันตรายดังกล่าว รวมทั้งป้องกันไม่ให้กระแสไฟฟ้าในวงจรไฟฟ้าในบ้านสูงมากเกินไป จึงมีการติดฟิวส์ไว้ที่สะพานและที่แผงควบคุม
ฟิวส์ เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ตัดวงจรไฟฟ้า เมื่อมีกระแสไฟฟ้าผ่านวงจรมากเกินไป เช่น กรณีการเกิดวงจรลัดหรือการใช้เครื่องใช้ไฟฟ้าที่สิ้นเปลืองพลังงานไฟฟ้ามากเกินไป ตามปกติเมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านฟิวส์ ฟิวส์จะร้อน แต่ก็ยังไม่มากพอที่จะทำให้ฟิวส์หลอมละลาย ถ้ากระแสไฟฟ้าผ่านมากเกินปกติ ฟิวส์จะหลอมละลายจนขาดจากกัน ทำให้เกิดการตัดวงจรไฟฟ้าโดยอัตโนมัติ ดังนั้น ฟิวส์จึงช่วยตัดวงจรไฟฟ้าก่อนที่จะเป็นอันตรายจากการที่กระแสไฟฟ้าผ่านมากเกินปกติ จึงกำหนดขนาดของฟิวส์โดยเป็นค่าของกระแสไฟฟ้าสูงสุดที่สามารถผ่านฟิวส์ได้โดยฟิวส์ไม่ขาด
ฟิวส์ เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ตัดวงจรไฟฟ้า เมื่อมีกระแสไฟฟ้าผ่านวงจรมากเกินไป เช่น กรณีการเกิดวงจรลัดหรือการใช้เครื่องใช้ไฟฟ้าที่สิ้นเปลืองพลังงานไฟฟ้ามากเกินไป ตามปกติเมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านฟิวส์ ฟิวส์จะร้อน แต่ก็ยังไม่มากพอที่จะทำให้ฟิวส์หลอมละลาย ถ้ากระแสไฟฟ้าผ่านมากเกินปกติ ฟิวส์จะหลอมละลายจนขาดจากกัน ทำให้เกิดการตัดวงจรไฟฟ้าโดยอัตโนมัติ ดังนั้น ฟิวส์จึงช่วยตัดวงจรไฟฟ้าก่อนที่จะเป็นอันตรายจากการที่กระแสไฟฟ้าผ่านมากเกินปกติ จึงกำหนดขนาดของฟิวส์โดยเป็นค่าของกระแสไฟฟ้าสูงสุดที่สามารถผ่านฟิวส์ได้โดยฟิวส์ไม่ขาด
 |
ฟิวส์มาตรฐานมักทำด้วยโลหะที่มีจุดหลอมเหลวต่ำ เช่น โลหะผสมของดีบุกกับตะกั่วฟิวส์มีหลายขนาดและรูปแบบ ทั้งนี้ขึ้นกับการนำไปใช้ สำหรับฟิวส์ที่ใช้ในบ้านเรือนทั่วไป ได้แก่ ฟิวส์กระเบื้องและฟิวส์เส้น เราสามารถคำนวณหาขนาดของฟิวส์ที่เหมาะสมได้
ตัวอย่างที่ 6 บ้านหลังหนึ่งใช้ไฟฟ้าซึ่งมีความต่างศักย์ 220 โวลต์ ถ้าใช้เครื่องใช้ไฟฟ้าดังต่อไปนี้ หม้อหุงข้าว 600 วัตต์ เตารีด 750 วัตต์ ตู้เย็น 100 วัตต์ โทรทัศน์ 150 วัตต์ หลอดไฟฟ้า 60 วัตต์ 2 ดวง และหลอดฟลูออเรสเซนซ์ 20 วัตต์ 5 ดวง ควรใช้ฟิวส์ขนาดเท่าใด
ในกรณีมีเครื่องใช้ไฟฟ้ามีตัวประกอบกำลังไม่ถึง 1 กระแสไฟฟ้าที่ใช้จริงจะมีค่ามากกว่าที่คำนวณได้ นั่นคือ จะต้องใช้ฟิวส์ให้เกินค่าที่คำนวณได้ และควรเกินให้มากพอที่จะไม่ทำให้ฟิวส์ขาดเวลาใช้งานตามปกติ
นอกจากการใช้ฟิวส์ติดไว้ที่แผงควบคุมไฟฟ้าแล้ว เรายังนิยมใช้ฟิวส์ติดไว้ในวงจรภายในเครื่องใช้ไฟฟ้าบางชนิด เช่น โทรทัศน์ และเครื่องบันทึกเสียงด้วย ฟิวส์ที่ติดอยู่กับเครื่องใช้ไฟฟ้าแต่ละชนิดจะตัดวงจรไฟฟ้าในเครื่องใช้นั้นๆ ทันทีเมื่อกระแสไฟฟ้าสูงมากกว่าปกติ เช่น กรณีเกิดวงจรลัดภายใน การตัดฟิวส์จึงเป็นการป้องกันไม่ให้เครื่องใช้ไฟฟ้าเหล่านั้นเสียหาย
สวิตช์อัตโนมัติเชิงความร้อนฟิวส์ในรูปแบบที่กล่าวมาแล้วเวลาขาดต้องมีการเปลี่ยนใหม่ทุกครั้ง จึงไม่สะดวก ดังนั้นจึงมีการออกแบบสวิตช์ อัตโนมัติขึ้นใช้แทน และจะตัดวงจรทันทีที่กระแสไฟฟ้าผ่านเกินขนาดที่กำหนด โดยที่ไม่มีส่วนอื่นใดของสวิตช์หลอมละลายขาดไปเหมือนฟิวส์ สวิตช์อัตโนมัติเชิงความร้อน
ที่เป็นที่นิยมใช้กันมากตามบ้านเรือนทั่วไปนั้นใช้ หลักการของแผ่นโลหะคู่ ซึ่งจะได้ศึกษาต่อไป
 |
ถ้าทำแผ่นโลหะสองชนิดให้ติดกัน เช่น แผ่นทองแดง และแผ่นเหล็ก แล้วทำให้แผ่นโลหะคู่นี้ร้อน โดยใช้ตะเกียบแอลกอฮอล์ จะพบว่า แผ่นโลหะคู่นี้งอโค้ง
แผ่นโลหะคู่เมื่อโดนความร้อน
เมื่อแผ่นโลหะคู่นี้ได้รับความร้อน โลหะแต่ละชนิดจะขยายตัวได้ก็ไม่เท่ากัน ดังนั้น แผ่นโลหะคู่จึงงอโค้งไปทางด้านแผ่นโลหะที่ขยายตัวน้อยกว่า ถ้าเราใช้แผ่นโลหะคู่เป็นส่วนหนึ่งของวงจรไฟฟ้ากระแสไฟฟ้าที่ผ่านจะทำให้แผ่นโลหะคู่ร้อนจนงอโค้ง ดังนั้น เราจึงใช้การงอโค้งของแผ่นโลหะคู่หนึ่งในวงจรไฟฟ้าได้
ปัจจุบันบางบ้านนอกจากจะนิยมใช้สวิตช์อัตโนมัติแทนฟิวส์และสะพานไฟบนแผงควบคุมไฟฟ้า แล้วและยังนิยมใช้เป็นสวิตช์ปิด-เปิด และเป็นฟิวส์ของเครื่องใช้ไฟฟ้าที่มีมอเตอร์เป็นประกอบ เช่น กรณีเครื่องปรับอากาศ เพราะนอกจากใช้ปิดเปิดวงจรได้เช่นเดียวกับสวิตช์ทั่วไปแล้ว ยังมีความไวในการตัดวงจรสูงกว่าฟิวส์ด้วย
อุปกรณ์ไฟฟ้าและเครื่องใช้ไฟฟ้าในบ้าน
เครื่องใช้ไฟฟ้าที่ใช้ในบ้าน ได้แก่ หลอดไฟฟ้า เตารีดไฟฟ้า พัดลม และหม้อหุงข้าวไฟฟ้า เป็นต้น มักมีตัวเลขบอกปริมาณอะไรบ้าง และปริมาณที่บอกไว้บนเครื่องใช้ไฟฟ้าเหมือนกับปริมาณที่บอกไว้บนอุปกรณ์ไฟฟ้า เช่น เต้ารับ เต้าเสียบ และสายไฟหรือไม่
เครื่องใช้ไฟฟ้าทุกชนิดที่ผลิตถูกต้องและตรงตามมาตรฐานสินค้าจะมีตัวเลขบอกความต่างศักย์และกำลังไฟฟ้ารวมทั้งรายละเอียดๆ ที่จำเป็นปรากฏไว้ ดังนั้น เมื่อนำเครื่องใช้ไฟฟ้ามาใช้จะต้องใช้กับความต่างศักย์ที่ตรงกับค่าที่กำหนดไว้ ผู้ใช้จึงจะได้พลังงานอย่างเต็มที่และไม่ทำให้เกิดความเสียหายแก่เครื่องใช้ไฟฟ้านั้น
ปัจจุบันบางบ้านนอกจากจะนิยมใช้สวิตช์อัตโนมัติแทนฟิวส์และสะพานไฟบนแผงควบคุมไฟฟ้า แล้วและยังนิยมใช้เป็นสวิตช์ปิด-เปิด และเป็นฟิวส์ของเครื่องใช้ไฟฟ้าที่มีมอเตอร์เป็นประกอบ เช่น กรณีเครื่องปรับอากาศ เพราะนอกจากใช้ปิดเปิดวงจรได้เช่นเดียวกับสวิตช์ทั่วไปแล้ว ยังมีความไวในการตัดวงจรสูงกว่าฟิวส์ด้วย
อุปกรณ์ไฟฟ้าและเครื่องใช้ไฟฟ้าในบ้านเครื่องใช้ไฟฟ้าที่ใช้ในบ้าน ได้แก่ หลอดไฟฟ้า เตารีดไฟฟ้า พัดลม และหม้อหุงข้าวไฟฟ้า เป็นต้น มักมีตัวเลขบอกปริมาณอะไรบ้าง และปริมาณที่บอกไว้บนเครื่องใช้ไฟฟ้าเหมือนกับปริมาณที่บอกไว้บนอุปกรณ์ไฟฟ้า เช่น เต้ารับ เต้าเสียบ และสายไฟหรือไม่
เครื่องใช้ไฟฟ้าทุกชนิดที่ผลิตถูกต้องและตรงตามมาตรฐานสินค้าจะมีตัวเลขบอกความต่างศักย์และกำลังไฟฟ้ารวมทั้งรายละเอียดๆ ที่จำเป็นปรากฏไว้ ดังนั้น เมื่อนำเครื่องใช้ไฟฟ้ามาใช้จะต้องใช้กับความต่างศักย์ที่ตรงกับค่าที่กำหนดไว้ ผู้ใช้จึงจะได้พลังงานอย่างเต็มที่และไม่ทำให้เกิดความเสียหายแก่เครื่องใช้ไฟฟ้านั้น
สำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้าก็เช่นเดียวกัน อุปกรณ์ที่ตรงตามมาตรฐานสินค้าจะมีตัวเลข บอกกระแสไฟฟ้าและความต่างศักย์ไว้ ซึ่งเป็นกระแสไฟฟ้าสูงสุดและความต่างศักย์สูงสุดที่ไม่ทำให้เกิดความเสียหายแก่อุปกรณ์ไฟฟ้านั้น
ตัวเลขบอกกระแสไฟฟ้าและความต่างศักย์บนอุปกรณ์ไฟฟ้า
เราทราบแล้วว่า เครื่องใช้ไฟฟ้าที่ใช้ในบ้านมีการต่อแบบขนาน ดังแสดงในรูป
ในการต่อเครื่องใช้ไฟฟ้าหลายชนิดแบบอนุกรมในวงจรถ้าเครื่องใช้ไฟฟ้าชนิดหนึ่งขัดข้อง หรือเวลาไม่ต้องการใช้เครื่องใช้ไฟฟ้าชนิดนั้นอีก จะมีผลกระทบต่อเครื่องใช้ไฟฟ้าชนิดอื่นทำให้ไม่ทำงานต่อไปอีกด้วย การต่อเครื่องใช้ไฟฟ้าแบบขนานในวงจรสามารถช่วยแก้ปัญหาดังกล่าวนี้ได้ อาจแบ่งเครื่องใช้ไฟฟ้า โดยถือพลังงานที่ได้รับจากเครื่องใช้ไฟฟ้านั้นเป็นเกณฑ์ ได้ 3 ประเภท คือ เครื่องใช้ไฟฟ้าที่ให้พลังงานแสงสว่าง เครื่องใช้ไฟฟ้าที่ให้พลังงานความร้อน และเครื่องใช้ไฟฟ้าที่ให้พลังงานกล ดังจะได้ศึกษาต่อไป
เครื่องใช้ไฟฟ้าที่ให้พลังงานแสงสว่าง ได้แก่ หลอดไฟและหลอดฟลูออเรสเซนซ์ เป็นต้น หลอดไฟธรรมดาทำด้วยหลอดแก้ว และมีไส้หลอดที่ทำด้วยลวดโลหะที่มีจุดหลอมเหลวสูง เช่น ทังสเตน ภายในหลอดแก้วเกือบเป็นสุญญากาศกระแสไฟฟ้าที่ผ่านไส้หลอดจะทำให้ไส้หลอดจะร้อนและเปล่งแสงสว่างออกมา
เครื่องใช้ไฟฟ้าที่ให้พลังงานความร้อน ได้แก่ เตารีด หม้อหุงข้าว และเตาไฟฟ้า เป็นต้น อุปกรณ์ที่สำคัญของเครื่องใช้ไฟฟ้าประเภทนี้คือ ลวดให้ความร้อน และเครื่องควบคุมอุณหภูมิดังตัวอย่าง
ลวดให้ความร้อนตามปกติก็จะทำด้วยตัวนำ เช่น นิโครม เป็นโลหะผสมระหว่างนิกเกิลกับโครเมียม เมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านลวดๆ จะร้อน นี่คือการเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานความร้อน และเพื่อไม่ให้พลังงานความร้อนที่เกิดมีค่าขึ้นสูงเกินไป จึงต้องมีอุปกรณ์ควบคุมอุณหภูมิ โดยให้มีการตัดวงจรไฟฟ้าเมื่ออุณหภูมิของเครื่องใช้ไฟฟ้าสูงตามที่ต้องการแล้ว เครื่องควบคุมอุณหภูมิแบบง่ายที่ทำงานโดยอาศัยหลักการของแผ่นโลหะคู่ที่ได้ศึกษามาแล้ว
ลวดให้ความร้อนและเครื่องควบคุมอุณหภูมิของเตารีดไฟฟ้า
เครื่องใช้ไฟฟ้าที่ให้พลังงานกล ได้แก่ พัดลม สว่านไฟฟ้าหรือเครื่องปั่นผลไม้ มีองค์ประกอบที่สำคัญ ได้แก่ มอเตอร์และเครื่องควบคุมอัตราเร็วในการหมุน การควบคุมอัตราเร็วของมอเตอร์อาจทำได้โดยการเปลี่ยนแปลงกระแสไฟฟ้าหรือความต่างศักย์ แต่การเปลี่ยนแปลงนี้จะต้องไม่ทำให้กระแสไฟฟ้าหรือความต่างศักย์ลดต่ำจนไม่สามารถทำให้มอเตอร์หมุนได้
ถ้าความต่างศักย์ลดลงต่ำกว่าปกติหรือที่เรียกว่าไฟตก ไม่ควรใช้เครื่องใช้ไฟฟ้าประเภทที่มีมอเตอร์ไฟฟ้าเป็นส่วนประกอบเพราะจะทำให้มอเตอร์ไหม้ได้
การใช้ไฟฟ้าอย่างปลอดภัย
ไฟฟ้าเป็นพลังงานที่สามารถส่งตามสายไฟไปยังที่ต่างๆ ได้อย่างรวดเร็ว และสามารถเปลี่ยนไปพลังงานรูปอื่นได้ ด้วยเหตุนี้จึงมีการใช้ไฟฟ้ากันแพร่หลาย แต่ถ้าใช้ไฟฟ้าโดยปราศจากความระมัดระวังหรือไม่ถูกวิธีก็อาจเกิดอันตราย เช่น ไฟฟ้าดูด หรือไฟฟ้าลัดวงจรได้ ซึ่งเหตุการณ์เหล่านี้อาจทำให้เกิดความเสียหายได้ อันตรายเหล่านี้มีสาเหตุจากอะไรและจะหาทางป้องกันได้อย่างไร
ถ้าความต่างศักย์ลดลงต่ำกว่าปกติหรือที่เรียกว่าไฟตก ไม่ควรใช้เครื่องใช้ไฟฟ้าประเภทที่มีมอเตอร์ไฟฟ้าเป็นส่วนประกอบเพราะจะทำให้มอเตอร์ไหม้ได้
การใช้ไฟฟ้าอย่างปลอดภัยไฟฟ้าเป็นพลังงานที่สามารถส่งตามสายไฟไปยังที่ต่างๆ ได้อย่างรวดเร็ว และสามารถเปลี่ยนไปพลังงานรูปอื่นได้ ด้วยเหตุนี้จึงมีการใช้ไฟฟ้ากันแพร่หลาย แต่ถ้าใช้ไฟฟ้าโดยปราศจากความระมัดระวังหรือไม่ถูกวิธีก็อาจเกิดอันตราย เช่น ไฟฟ้าดูด หรือไฟฟ้าลัดวงจรได้ ซึ่งเหตุการณ์เหล่านี้อาจทำให้เกิดความเสียหายได้ อันตรายเหล่านี้มีสาเหตุจากอะไรและจะหาทางป้องกันได้อย่างไร
พัดลมและเครื่องควบคุมอัตราเร็ว
ทราบแล้วว่า อุปกรณ์ไฟฟ้าในวงจรไฟฟ้าในบ้าน เช่น สวิตช์ เต้ารับ เต้าเสียบ และสายไฟมีขีดจำกัดในการใช้งาน คือ ยอมให้กระแสไฟฟ้าผ่านได้มากที่สุดค่าหนึ่ง ดังนั้น ถ้ามีการใช้เครื่องใช้ไฟฟ้าหลายเครื่องพร้อมกัน จะทำให้มีกระแสไฟฟ้าในวงจรมากเกินปกติ โดยเฉพาะสายไฟ ฉนวนที่หุ้มอาจหลอมละลายทำให้ตัดนำของสายไฟทั้งสองสายแตะกัน กระแสไฟฟ้าปริมาณมากจึงผ่านบริเวณที่สัมผัสกัน เรียกเหตุการณ์นี้ว่า การลัดวงจร หรือที่ทั่วไปเรียกว่า ไฟช็อต ถ้าวงจรไม่ถูกตัด สายไฟก็อาจลุกไหม้ได้ และอาจทำให้เกิดอัคคีภัยได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งถ้าเต้ารับและเต้าเสียบสวมกันไม่แน่นพอดี หรือจุดต้อในวงจรไฟฟ้าไม่แน่นก็อาจทำให้เกิดประกายไฟฟ้า และนี่ก็เป็นสาเหตุของอัคคีภัยได้เช่นกัน หรือถ้าอยู่ในบริเวณที่มีสารไวไฟหรือก๊าซ ผู้ใช้ไฟฟ้าจะต้องหมั่นตรวจดูและรักษาอุปกรณ์ไฟฟ้าต่างๆ ให้อยู่ในสภาพใช้งานได้ดีตลอดเวลา เมื่อพบว่า อุปกรณ์อุปกรณ์ใดชำรุดหรือเสื่อมคุณภาพก็ควรเปลี่ยนใหม่ทันที
ดังกล่าวแล้ว การติดตั้งฟิวส์หรือสะพานไฟที่เหมาะสม จะสามารถป้องกันอันตรายจากการลัดวงจรและการใช้กระแสไฟฟ้าเกินกำหนดได้เป็นอย่างดี
อันตรายจากไฟฟ้าที่ผู้ใช้ไฟฟ้าอาจพบได้เสมออีกประการก็คือ การถูกไฟฟ้าดูดซึ่งมักเกิดในกรณีที่ฉนวนหุ้มสายไฟของเครื่องใช้ไฟฟ้าฉีกขาด จนตัวนำแตะโครงโลหะของเครื่องใช้ไฟฟ้าทำให้โครงโลหะนั้นมีศักย์ไฟฟ้าสูงเมื่อไฟฟ้าสูงเมื่อเทียบกับพื้นดิน กรณีนี้เรียกว่า ไฟฟ้ารั่วที่เครื่องใช้ไฟฟ้า ถ้าส่วนใดของร่างกายไปแตะโครงโลหะจะมีกระแสไฟฟ้าผ่านเข้าสู่ร่างกายแล้วต่อสู่ดินได้ กรณีเช่นนี้เรียกว่า ไฟฟ้าดูด ซึ่งอาจทำให้เกิดอันตรายต่อระบบต่างๆ ของร่างกายทั้งนี้ขึ้นกับปริมาณและบริเวณที่กระแสไฟฟ้าผ่านร่างกาย
ดังกล่าวแล้ว การติดตั้งฟิวส์หรือสะพานไฟที่เหมาะสม จะสามารถป้องกันอันตรายจากการลัดวงจรและการใช้กระแสไฟฟ้าเกินกำหนดได้เป็นอย่างดี
อันตรายจากไฟฟ้าที่ผู้ใช้ไฟฟ้าอาจพบได้เสมออีกประการก็คือ การถูกไฟฟ้าดูดซึ่งมักเกิดในกรณีที่ฉนวนหุ้มสายไฟของเครื่องใช้ไฟฟ้าฉีกขาด จนตัวนำแตะโครงโลหะของเครื่องใช้ไฟฟ้าทำให้โครงโลหะนั้นมีศักย์ไฟฟ้าสูงเมื่อไฟฟ้าสูงเมื่อเทียบกับพื้นดิน กรณีนี้เรียกว่า ไฟฟ้ารั่วที่เครื่องใช้ไฟฟ้า ถ้าส่วนใดของร่างกายไปแตะโครงโลหะจะมีกระแสไฟฟ้าผ่านเข้าสู่ร่างกายแล้วต่อสู่ดินได้ กรณีเช่นนี้เรียกว่า ไฟฟ้าดูด ซึ่งอาจทำให้เกิดอันตรายต่อระบบต่างๆ ของร่างกายทั้งนี้ขึ้นกับปริมาณและบริเวณที่กระแสไฟฟ้าผ่านร่างกาย
ไฟฟ้ารั่วและไฟฟ้าดูด
ในการป้องกันไฟฟ้าดูดอาจทำได้โดยการต่อสายดินกับเครื่องใช้ไฟฟ้า คือ ใช้ปลายข้างหนึ่งของสายไฟต่อเข้ากับโครงโลหะของเครื่องใช้ไฟฟ้า ส่วนอีกปลายหนึ่งต่อกับแท่งโลหะที่ไม่เป็นสนิมแล้ว นำไปฝังดินในบริเวณที่ชื้น สายไฟที่ต่อระหว่างเครื่องใช้ไฟฟ้าและพื้นดิน เรียกว่า สายดิน หรือ E เมื่อร่างกายแตะเครื่องใช้ไฟฟ้าที่มีสายดินและมีไฟฟ้ารั่ว กระแสไฟฟ้าจะผ่านสายดินลงพื้นดินโดยไม่ผ่านร่างกาย ดังนั้น สายดินจึงช่วยป้องกันไม่ให้ร่างกายถูกไฟฟ้าดูด
การต่อสายดิน
ปัจจุบันมีการประดิษฐ์เครื่องป้องกันไฟฟ้ารั่วและไฟฟ้าดูด หลายรูปแบบ และเมื่อนำเครื่องดังกล่าวมาติดตั้งบนแผงควบคุมไฟฟ้า ก็จะช่วยให้เกิดความปลอดภัยยิ่งขึ้น เพราะถ้าไฟฟ้ารั่ว หรือไฟฟ้าดูด สวิตช์ของเครื่องป้องกันไฟฟ้ารั่วและไฟฟ้าดูดจะตัดวงจรทันที
อย่างไรก็ตาม ยังมีข้อควรระวังและแนวทางปฏิบัติเพื่อให้ผู้ใช้ มีความปลอดภัยสูงสุดในการใช้ไฟฟ้า ผู้รับผิดชอบในการจ่ายพลังงานไฟฟ้าจะเตือนผู้ใช้อยู่ตลอดเวลา โดยเขียนคำเตือนไว้หลังใบเสร็จรับเงินค่าไฟฟ้าและพิมพ์เอกสารที่เกี่ยวข้อง ผู้ใช้พลังงานไฟฟ้าควรศึกษาและนำมาปฏิบัติด้วย
นอกจากเราต้องใช้ไฟฟ้าอย่างปลอดภัยแล้ว จะต้องใช้ไฟฟ้าอย่างประหยัดด้วย เพราะการผลิตพลังงานไฟฟ้าต้องใช้ทรัพยากรธรรมชาติหลายชนิด เช่น น้ำมัน ก๊าซธรรมชาติ เป็นต้น ทรัพยากรเหล่านี้ มีปริมาณจำกัดและมีราคาแพง ดังนั้น การช่วยกันประหยัดพลังงานไฟฟ้า นอกจากจะประหยัดเงินค่าไฟฟ้า ยังเป็นการช่วยกันประหยัดทรัพยากรธรรมชาติและประหยัดเงินตราของประเทศด้วย ในกรณีที่ต้องซื้อทรัพยากรนั้นๆ มาจากประเทศอื่น
อย่างไรก็ตาม ยังมีข้อควรระวังและแนวทางปฏิบัติเพื่อให้ผู้ใช้ มีความปลอดภัยสูงสุดในการใช้ไฟฟ้า ผู้รับผิดชอบในการจ่ายพลังงานไฟฟ้าจะเตือนผู้ใช้อยู่ตลอดเวลา โดยเขียนคำเตือนไว้หลังใบเสร็จรับเงินค่าไฟฟ้าและพิมพ์เอกสารที่เกี่ยวข้อง ผู้ใช้พลังงานไฟฟ้าควรศึกษาและนำมาปฏิบัติด้วย
นอกจากเราต้องใช้ไฟฟ้าอย่างปลอดภัยแล้ว จะต้องใช้ไฟฟ้าอย่างประหยัดด้วย เพราะการผลิตพลังงานไฟฟ้าต้องใช้ทรัพยากรธรรมชาติหลายชนิด เช่น น้ำมัน ก๊าซธรรมชาติ เป็นต้น ทรัพยากรเหล่านี้ มีปริมาณจำกัดและมีราคาแพง ดังนั้น การช่วยกันประหยัดพลังงานไฟฟ้า นอกจากจะประหยัดเงินค่าไฟฟ้า ยังเป็นการช่วยกันประหยัดทรัพยากรธรรมชาติและประหยัดเงินตราของประเทศด้วย ในกรณีที่ต้องซื้อทรัพยากรนั้นๆ มาจากประเทศอื่น
ที่มาข้อมูล : หนังสือเรียนสาระการเรียนวิทยาศาสตร์ ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 6 ฟิสิกส์ เล่ม 3
http://www.neutron.rmutphysics.com/news/index.php?option=com_content&task=view&id=2530
http://www.neutron.rmutphysics.com/news/index.php?option=com_content&task=view&id=2531
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น